近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）科學(xué)家們采用一種快速簡便的途徑，制造出超彈性、多元材料、高性能的纖維。這種纖維已經(jīng)作為傳感器用在機(jī)器人手指和衣服中。這一突破性方法為新型智能織物和醫(yī)用植入物創(chuàng)造了條件。

背景

纖維，是紡織品中的一種重要成分。新型纖維的研發(fā)對(duì)于智能織物、智能可穿戴設(shè)備、柔性電子的發(fā)展都有著非常重要的意義與價(jià)值。為了更直觀的展示新型纖維的作用，讓我們一起回顧一下以往介紹過的經(jīng)典案例：

1）美國北卡羅來納州立大學(xué)開發(fā)的一種具有柔性和彈性的觸敏纖維，它可以檢測到觸摸、張力與扭曲，應(yīng)用于智能織物與可穿戴電子設(shè)備。

（圖片來源：北卡羅來納州立大學(xué)）

2）韓國科學(xué)技術(shù)院科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種位于超薄纖維上的高效有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），它有望廣泛應(yīng)用于可穿戴的柔性顯示設(shè)備。

（圖片來源：KAIST）

3）美國萊斯大學(xué)的研究人員研發(fā)出由碳納米管纖維制成的無線天線，性能堪比銅天線，而重量卻只有銅天線的1/20。因?yàn)橹亓亢腿嵝苑矫娴膬?yōu)勢(shì)，它有望應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和可穿戴電子設(shè)備。

（圖片來源：Jeff Fitlow / 萊斯大學(xué)）

創(chuàng)新

近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）科學(xué)家們采用一種快速簡便的途徑，制造出超彈性、多元材料、高性能的纖維。這種纖維已經(jīng)作為傳感器用在機(jī)器人手指和衣服中。這項(xiàng)突破性的方法為新型智能織物和醫(yī)用植入物創(chuàng)造了條件。

（圖片來源：JAlban Kakulya / EPFL）

這種纖維由 EPFL 光子材料和纖維設(shè)備實(shí)驗(yàn)室（FIMAP）開發(fā)，團(tuán)隊(duì)由 Fabien Sorin 帶領(lǐng)。科學(xué)家們采用一種快速簡便的方法，將不同種的微結(jié)構(gòu)嵌入到超彈性纖維中。例如，他們通過在“關(guān)鍵位置”添加電極，將纖維轉(zhuǎn)化為超靈敏的傳感器。而且，他們的方法還可以在短時(shí)間內(nèi)制造出幾百米的纖維。

最近，這項(xiàng)研究的相關(guān)論文發(fā)表于《先進(jìn)材料（Advanced Materials）》雜志。相關(guān)的專利已經(jīng)提交申請(qǐng)。

技術(shù)

這是一種思考傳感器的全新方式。EPFL 開發(fā)的這種微型纖維由彈性體制成，可以包含像電極和納米復(fù)合聚合物之類的材料。即使最輕微的壓力和應(yīng)變，這種纖維也能檢測到。此外，它在經(jīng)受接近500%的變形之后，還可以恢復(fù)原狀。所有這些都使它能夠完美地應(yīng)用于智能衣服、義肢和為機(jī)器人設(shè)計(jì)的人造神經(jīng)等方面。

為了制造這種纖維，科學(xué)家們采用了一種熱拉伸工藝，這是一種制造光纖的標(biāo)準(zhǔn)工藝。一開始，他們創(chuàng)造出了宏觀的預(yù)制件，其中的各種纖維成分排列成精心設(shè)計(jì)的三維圖案。然后，他們加熱預(yù)制件，將它拉伸，就像熔融的塑料一樣，從而制造出直徑達(dá)幾百微米的纖維。這一工藝縱向地拉伸纖維成分圖案，同時(shí)也會(huì)橫向地壓縮纖維成分，也就是說纖維成分的相對(duì)位置保持不變。最終的成果是一組具有極度復(fù)雜微結(jié)構(gòu)和高級(jí)特性的纖維。

迄今為止，熱拉伸只能用于制造剛性纖維。但是，Sorin 及其團(tuán)隊(duì)卻采用它制造彈性纖維。在新的材料選擇標(biāo)準(zhǔn)的幫助下，他們可以識(shí)別出一些加熱后具有高粘度的熱塑性彈性體。在纖維受到拉伸后，它們會(huì)拉長和變形，但是卻總能恢復(fù)其原始形狀。

剛性材料，例如納米復(fù)合聚合物、金屬和熱塑性塑料，以及可以輕易變形的液態(tài)金屬，都會(huì)被引入到纖維中。Sorin 表示：“例如，我們可以在纖維的頂部添加三根電極，底部添加一根。纖維受到的壓力多少，決定了不同的電極產(chǎn)生接觸。例如，這將導(dǎo)致電極傳遞信號(hào)，這種信號(hào)被讀取后，可以準(zhǔn)確地判斷出纖維受到了何種壓力，例如壓應(yīng)力或剪應(yīng)力。”

價(jià)值

科學(xué)家們與 Oliver Brock 教授（柏林工業(yè)大學(xué)機(jī)器人與生物實(shí)驗(yàn)室）合作，將這種纖維作為人造神經(jīng)，集成到機(jī)器人手指中。每當(dāng)手指觸碰東西的時(shí)候，纖維中的電極就會(huì)傳遞機(jī)器人與周圍環(huán)境之間的觸覺交互信息。他們還有一種測試方法，就是將他們的纖維添加到大網(wǎng)眼衣服上，檢測壓力和拉伸。Sorin 表示：“例如，我們的技術(shù)可用于開發(fā)能直接集成到衣服中的觸摸鍵盤。”

（圖片來源：EPFL）

（圖片來源：EPFL）

（圖片來源：EPFL）

研究人員也看到了許多其他的潛在應(yīng)用。尤其是，熱拉伸工藝經(jīng)過簡單調(diào)整后可以用于量產(chǎn)。這對(duì)于制造業(yè)來說是一個(gè)真正的優(yōu)勢(shì)。紡織行業(yè)已經(jīng)對(duì)于這項(xiàng)新技術(shù)展示出濃厚的興趣。