2014年9月,苹果公司发布第一代可穿戴设备——Apple Watch系列,智能手表成为继手机、电脑和平板之后的第四大类电子产品。
四大类电子产品相互沟通关联,由不同品牌设计并形成系统生态圈,而智能手表除了时间显示、通话、阅读通知等基础功能外,与其他三类产品最大的区别就是实现了对身体和环境的实时监测、记录与储存。
相比体检所需的专业仪器,智能手表监测身体各项指标不但方便快捷,其数据的精确性也无限接近专业仪器结果。可穿戴设备的产品设计和制作工艺,都已在近两年得到了巨大提升。
体温、心率、血压,氧饱和,可穿戴设备监测的范围不断扩大。与此同时,软件优化伴随着硬件的同步升级。让很多先进科技下放至民用市场,实现量产应用。
为确保监测数据的精确性,智能手表会使用超高精度的传感器件,而这也是整台设备除芯片外最核心的部分。
应用于人体肌肤,可长期穿戴并确保舒适度的材料可选范围有限,但都具备相同特征——将柔性材料列为首选。这也是为何近两年柔性电子器件快速发展的原因之一。
柔性材料轻质、贴肤、可拉伸,具备一定的传导属性,柔性传感器件是指可弯折或可伸缩的传感器件,将人体信号或环境刺激信号转化为可检测的信号,主要为电学信号(电化学信号)。因此智能化纤维将成为下一代柔性可装戴器件的理想形式之一。
结合自身产业,我们发现蚕丝材料在电子化应用方面,拥有诸多先天优势。
如何将蚕丝材料应用于传感器
拥有传感、致动、光学器件、能量收集、储能、储存等功能,以蚕丝为代表的柔性纤维织物逐渐渗透到不同科技领域。
蚕丝作为一种可再生的生物资源,具有柔性、轻质、生物相容、可植入、可降解、易于加工等属性。其分子组成为结构蛋白,具有优异的力学性能,可为传感器件提供不同强度的力学支撑。
单一蚕丝不具导电功能,因而需要将其与可导电的有机/无机材料(如碳基材料、金属基纳米材料、导电聚合物)进行复合,得到蚕丝基导电纤维。
除此之外,物理改性工艺同样适用——经过热处理的蚕丝可转化为导电碳材料,使其具备导电属性。
经试验对比,发现蚕丝基导电纤维相较其他聚合物基导电纤维的力学和电学性能,表明出更加良好的综合性能 。所得到的蚕丝基复合纤维及织物可对应变、应力、温度或湿度等信号有明显响应,从而可用作应变、应力、温度、湿度传感器。
如何制备蚕丝材料传感器?
将具有导电性的石墨薄片通过范德华力和静电力均匀地涂覆在蚕丝纤维表面,得到皮芯结构的导电石墨/蚕丝复合纤维。
石墨薄片之间的重叠区域随外部拉伸应变的加载/卸载而变化,从而改变石墨/蚕丝复合纤维的电阻值,最终实现应变传感的功能。
这种基于蚕丝纤维的应变传感器具有良好的柔性和灵敏度。此外,碳纳米管(CNTs)、还原氧化石墨烯(rGO)、石墨烯和银纳米线(Ag NWs) 等纳米材料也可与蚕丝纤维复合,用于制备导电纤维或者传感纤维。
国内研究组尝试将CNTs分散在六氟异丙醇(HFIP,溶解丝素蛋白的常用溶剂之一)溶剂中,加入脱胶蚕丝,HFIP对蚕丝表面进行微溶解,但不会破坏蚕丝纤维的主体结构,同时CNTs均匀组装在蚕丝纤维表面,形成牢固的CNTs/蚕丝导电纤维。利用传统纺纱工艺可以将所得复合纤维制成连续的导电纱线。
下一步利用绣花机将其缝制在衣服上,用于检测人体运动以及手势等动作。这种方法简便、高效。与添食法和再生纺丝法相比,这类直接在天然蚕丝表面进行处理和修饰的方法,可能是更易于实现规模化生产的技术。
蚕丝织物也可作为柔性基底,用于构筑织物基传感器。如将金属镍和GO沉积在蚕丝织物表面,可制备蚕丝织物基湿度传感器。
将再生丝素蛋白溶液和CNTs分散液混合,通过传统纺丝法制备CNTs/丝素蛋白导电复合 纤维也是构筑导电蚕丝复合纤维的方法之一。CNTs和丝素蛋白之间形成混合的介观网络,其中CNTs作为导电通路,而丝素蛋白网络则作为对湿度敏感的结构框架。
制得的CNTs/丝素蛋白导电复合纤维可被用作压力传感器电极、湿度传感器和呼吸信号检测传感器,结合物联网、人工智能等技术,可以实现远程呼吸监控,从而服务于医疗以及大数据获取等。