特拉華大學研發出新型智能紡織品材料

文/李夢婷

美國特拉華州立大學的科學家通過在各種纖維（包括棉纖維、尼龍和羊毛）上研發柔性碳納米管復合涂層的方式，制造出下一代智能紡織品。該團隊已證明，這類智能紡織物能廣泛測量壓力，從輕觸指尖到駕駛叉車，利用智能紡織品可測試的領域幾乎無處不在。

讓所有纖維產生感應數據

美國《ACS傳感器》期刊報道稱，帶有這種傳感功能的織物可用于未來的“智能服裝”，這類傳感材質可置入鞋底或縫合到衣服中以檢測人體運動狀況。這種柔性納米管復合涂層因為賦予了輕盈、柔韌、透氣新功能，因此才具有新的生命力。令人印象深刻的是，它竟然具有感應能力。當擠壓時，這種材料可通過其中的電流變化情況提供數據。

該大學機械工程和材料科學與工程系副教授這樣說，“作為傳感材料，它又對從觸摸到壓強所帶來的受力非常敏感。”其原因是它利用了聚乙烯亞胺功能化碳納米管的電泳沉積技術（EPD），使其產生了與神經一樣的導電納米復合感應涂層。這很像在膠片膜中增加了電感功能。科學家利用了實驗室開發的EPD工藝創造出這種非常均勻的納米復合涂層，它與纖維表面粘合牢固。該工藝在工業上擁有廣泛的應用空間，更適用于未來新品。

研究人員現在可將這類傳感織物應用于紡織品，其特點優于現有的智能紡織品。該大學的多功能復合材料實驗室負責人表示，依據現有的技術，如金屬或針織纖維和金屬絲一起鍍上這類材料，有可能降低織物原有的舒適性和耐久性，但這種納米復合纖維涂層卻能產生另一種無與倫比的柔韌性和觸感舒適性。這種材料已在一系列天然與合成纖維上進行過測試，包括Kevlar纖維、羊毛、尼龍、氨綸和聚酯纖維，它幾乎可以讓所有纖維材質帶有感應力。而涂層厚度僅為250nm～750nm，約為紙張厚度的0.25%至0.75%，并且用在鞋子或服裝上僅增加很微小的重量。此外，用于制造傳感器涂層的材料價格低廉且相對環保，可在室溫下用水作為溶劑進行處理。

帶有人體力學檢測功能

這類帶傳感功能的涂層織物的另一潛在應用是測量人行走時的腳部力量。其數據可幫助臨床醫生評估受傷者失衡或幫助預防運動員受傷。該研究小組正與機械工程專家和神經肌肉生物力學實驗室主任以及團隊進行密切合作。作為由該大學INBRE資助的項目之一，它僅僅是試點項目的開端。他們的目標是要了解這類帶傳感功能并嵌入鞋內時如何與生物力學試驗技術進行比較，如儀表跑步機和捕捉動作產生的力的差異。

在實驗室測試期間，被測試者知道他們正在被監視，但在實驗室外，人們的行為就有所不同。這類織物傳感材質靈敏度極高，測試機械性能時很有效，將其整合到拖鞋和步行鞋中自然可為患者提供有效的服務。佩戴這種材料時，它又能收集數據并與強化板數據相比較，強化板是一種通常需要花費數千美元的試驗設備。

由于成本低廉且靈活，該傳感材料因此可用于研發新型定制鞋類并用于其他帶有集成電子設備的服裝，以便在日常生活中存儲數據。所獲數據又可在隨后提供給研究人員或治療師進行分析，以評估其表現并最終降低醫療成本。

該技術適用于運動醫學、手術后恢復及評估兒科患者的運動障礙。當然，在現實的背景下收集兒童運動數據還具有挑戰性，但兒科臨床研究和發展中心負責人則認為，像這樣輕薄、靈活、高靈敏度的傳感材料可幫助理療師和醫生遠程評估兒童的移動情況，這意味著臨床醫生可用經濟有效的方式收集更多數據，這還減少了患者去診所的頻率。

重新定義未來的檢測手段

開發這類傳感器與新材料息息相關，與醫生、理療師和患者的配合也很關鍵，他們所面臨的諸多難題需要合作才能解決，并將其引向現有的方案，創建新的解決模式。因此，它的進一步研究需要跨學科的合作，這對未來應用至關重要。在這家研究中心，工程師有機會與科學技術和健康科學學院的高級（STAR）教師和學生一起工作。他們由此能獲得更多數據。該研究小組還將納米管傳感材料用于其他領域，如結構健康監測。

利用碳納米管和基于納米管的復合傳感材料已不是新穎的話題，但要開發出帶有傳感功能的材質卻需要與土木工程研究人員合作，其團隊率先開發了柔性納米管傳感器，以幫助檢測橋梁和其他類型的大型結構中的裂縫。他們因此還必須對復合材料感興趣，從宏觀幾何形狀分析，用這種材料對飛機或飛機機翼或汽車的零部件進行測試，也能測試織物結構或纖維水平。

業界認為，這為碳納米管和石墨烯等納米級增強材料提供了另一層次的檢測手段。雖然該研究還處于方興未艾的階段，但在確定材料的結構和功能特性上，它可能重新定義未來的檢測手段，其應用的優越性顯而易見。業界確信，他們把實驗室的基礎研究轉化為商業產品的過程已不太遙遠。