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嵌入电极的超灵敏、超弹性纤维

2021年02月22日08:46 【作者:新材料在线】     
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  近日,Fabien Sorin领导下的EPFL的光子材料和纤维设备实验室(FIMAP)提出了一种制备柔性传感器的新思路。科学家们开发了一种可以快速简便地将不同种类的微结构嵌入超弹性纤维中的方法,从而由弹性体制成了其中包含电极和纳米复合材料等的纤维。

  这种纤维甚至可以检测到最轻微的应力与应变,并且在承受接近500%的变形后仍能恢复初始形状。通过在关键位置添加电极,可以将纤维变为超灵敏的传感器。这使它们成为制造智能服装和假肢的理想选择,还可以为机器人制造人造神经。更重要的是,这种方法可在短时间内生产数百米的纤维。研究成果近日发表在Advanced Materials上。

  制备:加热后拉伸工艺

  科学家们使用了热拉伸工艺来制备这种纤维,他们首先制造了一个宏观的粗加工产品,其中各种各样的纤维组件排列在一个精心设计的3D模具中,然后加热并拉伸,像熔化的塑料一样,制成直径数百微米的纤维。虽然拉伸延长了纵向长度,但也发生了横向收缩,这意味着部件的相对位置保持不变,最终得到具有极其复杂微结构的高性能纤维。

  一直以来,热拉伸都只能用于制造刚性纤维。但Sorin和他的团队使用这种技术生产了弹性纤维。在选材新标准的帮助下,他们能够确定一些加热后具有高黏度的热塑性弹性体。纤维被拉伸后会发生拉伸变形,但最终总能恢复到原来的形状。

  纳米复合材料聚合物、金属和热塑性塑料等刚性材料可以引入纤维中。Sorin表示:“例如,我们可以在纤维的顶部添加三个电极串,在底部添加一个电极串。不同的电极会根据施加到纤维上的压力发生接触,此时电极会发出一个信号,通过读取该信号就可以确定纤维的受力类型,如压缩应力或剪切应力。”

  应用:机器人的人工神经

  通过与柏林技术大学机器人与生物学实验室的Oliver Brock博士/教授合作,科学家将他们制造的纤维作为人造神经集成到了机器人手指中。当手指接触到某物时,光纤中的电极便会传输有关机器人与环境的触觉交互信息。研究团队还将纤维添加到了大网眼的衣物中,以检测衣物所受到的压缩和拉伸力。Sorin说:“我们的技术可以用来开发一种直接集成到衣物中的触摸键盘。”

  研究人员还看到了这种纤维在其他许多方面的应用潜力,特别是由于热拉伸工艺可以轻松进行大规模生产。毫无疑问,这对制造业来说是一个好消息。该项技术已经提交了专利,并引起了来自纺织领域相关企业的浓厚兴趣。


标签:弹性纤维
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