超级纺线:用于编织智能纺织品的新型电子纤维

 Woven Electronic Fibers with Sensing and Display Functions for Smart Textiles

ETH Zürich的一个研究小组制造了一种结实的编织机用电子纤维,并首次生产出了具有传感和显示功能的机织电子织物,使我们向商用智能纺织品又迈进了一步。

想象一下这样的画面……

某个夏日,你躺在公园的绿地上,听着镶嵌在你牛仔裤中的mp3播放的音乐,然后使用衬衣袖子上的LED屏幕与一位朋友进行视频聊天。

你在为马拉松比赛进行训练。你的T恤可以测量你的心率和呼吸节奏,为你提供最近训练进展的信息以及改进训练质量的建议。
在上班的路上,你感到不舒服,但又想坚持去上班。这时,你的外套提醒你在发高烧而且在冒冷汗,必须马上去看病。

这是不是听起来像科幻小说?但是这些情节可能很快会就会成为现实。这些只是智能/电子纺织品的一部分应用而已,所谓智能/电子纺织品是指的是具有电子功能的纺织品,它们可以感知外界环境的刺激并做出反应。这一振奋人心的领域的研究虽然才刚刚起步,但已经取得了显著的成就。 在 Advanced Materials上刚刚发表的一篇报导中,ETH Zürich的Kunigunde Cherenack 和她的研究小组开发出了一种使用商业制造工艺生产电子纺织品的方法。

有两种主要方法可以将电子器件与纺织品整合到一起。一种是将制作好的电子元件和电路附在纺织品上,比如,将LED显示器粘贴到T恤的前面。第二种方法则是将电子纤维与传统纤维编织到一起,在纤维水平上实现电子功能。虽然第一种方法更为简单,但第二种方法可以完全地将电子电路与纤维整合到一起,可能更代表了电子纺织品未来的发展方向。电子纤维要投入到实际的应用仍然面临着不少问题。在机械编织过程中以及作为衣服的使用过程中(包括一般磨损和洗涤过程),电子纺织品会受到大量的摩擦、弯曲和拉伸。由于这些原因,之前一直未能在不发生损伤的情况下使用商业制造工艺来编织电子纤维。

但是Cherenack和她的同事们发明了更为结实的电子纤维,并首次成功使用商业编织机生产出了电子纺织品。他们将Kapton E —种柔韧、抗化学腐蚀、低热膨胀的塑料切割成0.5至2毫米宽的纤维,在每根纤维上构造电路器件(如LED显示屏、传感器或晶体管,以及连接线)。然后,他们将每根纤维的外面封上硅以防止摩擦,并在外面再次封上Kapton或者聚乙烯,使精细的电子器件更靠近纤维的芯部,这样可以减少器件在纤维弯曲时所受到的拉伸。测试表明,这样的纤维及其中的电子器件完全可以抵抗在编织过程和日常磨损中受到的弯曲和拉伸。特别是在编织某些不需要将纤维拉伸的纹理时,可以将这些电子纤维与普通纺织用线一起送入编织机,编织成电子纺织品。

作为测试,该团队用电子纤维制作了一块桌布,桌布上包含了具有湿度和温度传感器的电子纤维以及具有显示功能的LED纤维。在与外部控制电路连接后,当有温暖、潮湿的风吹过桌布时,LED就会亮起来。最重要的是,在洗衣机中用30度的水和洗涤剂清洗了一个小时以后,桌布和其中的电路都安然无恙。

总而言之,这一振奋人心的成果是向智能纺织品商业化迈出了另一大步。随着电子纺织品领域的快速发展,在不久的未来,可穿戴的计算机就不再是科幻小说中才能看到的了。

K. Cherenack et al., Adv. Mater. 2010, DOI: 10.1002/adma.201002159