科學家開發出嵌入電極的超靈敏、超彈性纖維

近日,Fabien Sorin領導下的EPFL的光子材料和纖維設備實驗室(FIMAP)提出了一種制備柔性傳感器的新思路。科學家們開發了一種可以快速簡便地將不同種類的微結構嵌入超彈性纖維中的方法,從而由彈性體制成了其中包含電極和納米復合材料等的纖維。這種纖維甚至可以檢測到最輕微的應力與應變,并且在承受接近500%的變形后仍能恢復初始形狀。通過在關鍵位置添加電極,可以將纖維變為超靈敏的傳感器。這使它們成為制造智能服裝和假肢的理想選擇,還可以為機器人制造人造神經。更重要的是,這種方法可在短時間內生產數百米的纖維。研究成果近日發表在Advanced Materials上。

制備：加熱后拉伸工藝

科學家們使用了熱拉伸工藝來制備這種纖維,他們首先制造了一個宏觀的粗加工產品,其中各種各樣的纖維組件排列在一個精心設計的3D模具中,然后加熱并拉伸,像熔化的塑料一樣,制成直徑數百微米的纖維。雖然拉伸延長了縱向長度,但也發生了橫向收縮,這意味著部件的相對位置保持不變,最終得到具有極其復雜微結構的高性能纖維。

一直以來,熱拉伸都只能用于制造剛性纖維。但Sorin和他的團隊使用這種技術生產了彈性纖維。在選材新標準的幫助下,他們能夠確定一些加熱后具有高黏度的熱塑性彈性體。纖維被拉伸后會發生拉伸變形,但最終總能恢復到原來的形狀。

納米復合材料聚合物、金屬和熱塑性塑料等剛性材料可以引入纖維中。Sorin表示：“例如,我們可以在纖維的頂部添加三個電極串,在底部添加一個電極串。不同的電極會根據施加到纖維上的壓力發生接觸,此時電極會發出一個信號,通過讀取該信號就可以確定纖維的受力類型,如壓縮應力或剪切應力。”

應用：機器人的人工神經

通過與柏林技術大學機器人與生物學實驗室的Oliver Brock博士/教授合作,科學家將他們制造的纖維作為人造神經集成到了機器人手指中。當手指接觸到某物時,光纖中的電極便會傳輸有關機器人與環境的觸覺交互信息。研究團隊還將纖維添加到了大網眼的衣物中,以檢測衣物所受到的壓縮和拉伸力。Sorin說：“我們的技術可以用來開發一種直接集成到衣物中的觸摸鍵盤。”

研究人員還看到了這種纖維在其他許多方面的應用潛力,特別是由于熱拉伸工藝可以輕松進行大規模生產。毫無疑問,這對制造業來說是一個好消息。該項技術已經提交了專利,并引起了來自紡織領域相關企業的濃厚興趣。