智能織物領域新發明：新型彈性觸敏纖維！

導讀

也許未來的可穿戴設備，真正可以像衣服一樣穿在身上。最近，美國北卡羅來納州立大學的研究人員設計了一種有彈性的「觸敏纖維」，它可以作為電子設備的人機交互介面使用，未來有望應用於可穿戴設備等多個領域。

（圖片來源於：北卡羅來納州立大學）

智能織物

去年，John 給大家介紹過一些智能織物項目，先作一下簡單回顧。

首先，要提及的是科技巨頭谷歌的Jacquard，這個項目的創意很簡單，即在日常衣物等紡織品內，編織導電紗線，讓衣服可以像觸摸屏一樣，具有觸摸敏感功能。這種紗線是金屬合金集合棉和絲做成的。

後面，John 還介紹過谷歌使用機器人手臂，對於智能衣服進行了測試，特別是在耐用性和手勢識別度方面，測試的結果還是不錯的。並且，谷歌那時候也透露和服裝製造商Levi Strauss 正和谷歌一起開發這個項目，並且準備發布一些用智能織物做成的牛仔褲，也不知道牛仔褲上市了沒有，有沒有人穿過？

另外，後面我們還介紹過美國俄亥俄州立大學使用專利的紡織品製造技術，以0.1毫米的精度，將電路綉進布料中。這樣的高精度，有望將感測器，內存等電子設備集成到衣物。還有，美國紅十字會卓越電子材料科學中心開發的一種由碳納米管和氨綸纖維製成的智能紡織品，它能像肌肉和關節一樣感知和運動，響應外界刺激。

最後，我們還提及了一些利用能夠利用太陽能的智能納米紡織品，包括，喬治亞理工學院的研究人員開發一種紡織物，它結合了兩種電力生產方式：轉化太陽能或者動能成為電力。還有，美國中佛羅里達大學(UCF)開發的可以吸收和存儲太陽能的織物絲線。未來，使用這些織物做成的服裝，可為例如智能手機或者GPS系統等智能電子設備供電。

所以，智能織物的應用領域和範圍還是很廣的，特別是在感知觸摸和轉化能量方面。

創新探索

然而，今天要介紹的是美國北卡羅來納州立大學的研究人員設計了一種有彈性的觸敏纖維。作為智能織物，它又有什麼獨特之處呢？下面帶大家一起探索和發現一下。

（圖片來源於：北卡羅來納州立大學）

首先我們看看，北卡羅來納州立大學的化學和生物分子工程系教授 Michael Dickey，也是相關研究的論文作者，他怎麼說：

「我們設計的這種柔性和彈性的纖維，它能檢測到「觸摸、張力和扭曲」。這種細微纖維可以用於集成電子器件，用於新的領域包括可穿戴電子設備。」

關鍵技術

• 組成

這種纖維由一種管狀的聚合物鏈構成，它包含「金屬合金、共晶體鎵和銦（EGaIn）」。這條鏈的直徑只有幾百微米，只比人類的頭髮厚那麼一點點。

纖維內注入液態金屬

（圖片來源於：北卡羅來納州立大學）

一端連接銅線，以膠水密封

（圖片來源於：北卡羅來納州立大學）

每條纖維由三條鏈構成。一條完全由 EGaIn 填充，另外一條的三分之二由EGaIn 填充，第三條只有三分之一充滿 EGaIn ，然後這些細管相互緊密地纏繞在一起形成「螺旋狀」結構。

• 原理

這種觸摸敏感的纖維，其工作原理和「電容」相關。電容一般是由兩塊金屬電極之間夾一層絕緣電介質構成，當在兩金屬電極間加上電壓時，電極上就會存儲電荷，所以電容器是儲能元件。它實際也是由兩個彼此由絕緣體分隔開，又相距很近的導體組成。

例如，當你的手指（導體）觸摸智能手機屏幕（絕緣體）的時候，它改變你的手指和屏幕下方電子器件之間的電容。然後，智能手機技術就會將這種電容變化，轉化為命令例如打開一個APP，或者在鍵盤上打字。

同樣，當你的手指觸摸這種彈性纖維的時候，它會改變你的手指和絕緣聚合物鏈內EGaIn之間的電容。當你將手指沿著纖維移動，電容會發生變化，這種變化取決於纖維上的某一點上，多少個鏈含有 EGaIn。這種效應可以根據你觸摸纖維的不同部位，從而發送出不同的電子信號。

使用LED燈進行觸摸演示

（圖片來源於：北卡羅來納州立大學）

相關應用

研究人員也開發了一種使用兩個聚合物鏈組成的感測器，而這兩條都完全充滿了EGaIn。聚合物鏈再次被扭成一個緊密的螺旋。增加扭曲的數目，將拉伸彈性鏈，並且使得兩個管子中的EGaln離得更近。這將改變兩條鏈之間的電容。

（圖片來源於：北卡羅來納州立大學）

對此，Dickey 說：

「根據電容的變化，我們可以判定纖維被扭曲了多少次。這對於扭力感測器來說十分有價值，它可以測量某個東西扭曲了多少次，速度如何。我們的這種感測器的優勢是基於彈性材料，並且可以扭曲100次以上，比現有的扭力感測器高兩個數量級。」

從上述分析看來，扭力感測器是可能是這種觸敏纖維，未來一項重要的產品，除此之外，因為具有觸摸感應功能，在智能衣物方面，它也有著廣闊的應用前景。

參考資料

【1】https://news.ncsu.edu/2017/04/touch-sensitive-elastic-wire-2017/

【2】http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201605630

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