Advanced Materials:让服装产“听觉”———仿蜘蛛“听毛”柔性气流传感器

众所周知,美国漫威电影里的超级英雄蜘蛛侠,由于意外被一只受过放射性感染的蜘蛛咬伤,从而获得了和蜘蛛一样的超能力。然而,除了人们熟知的蜘蛛侠借助强力蛛丝的飞天遁地超能力,人们对蜘蛛的另一种非凡能力——预知危险——知之不多。为了适应自然界,蜘蛛进化出了可以灵敏感知周围动态,从而躲避天敌或者迅速捕捉猎物的能力。研究发现,蜘蛛可以对从三米开外传来的声音做出反应,这对于身长只有几毫米、视力很差、没有耳膜的生物来说简直不可思议。其实,这种预知危险的能力要归功于蜘蛛身上数量众多的绒毛,这些绒毛使得蜘蛛与外界环境接触面积大大增加,从而可以对空气中人类无法感知的微弱的气流波动做出探测与响应,所以这些毛又被称为 “听毛”。

近年来,为了使人类能够获得如电影里一般超越人体本身皮肤功能的超能力(例如,实现对自身形变和周围环境(如温度、湿度、气流等)的超灵敏感知),研究人员在可穿戴智能传感器方面做了很多开创性的工作。然而相对于蓬勃发展的柔性应变、压力、温度和湿度传感器,气流传感器却鲜有报道。实现对微弱气流的快速的检测会为柔性可穿戴传感带来新功能,尚是有待开发的新领地。

近日,受蜘蛛“听毛”结构的启发,清华大学张莹莹课题组设计了一种基于绒毛状导电织物的超灵敏柔性气流传感器。以负载金属催化剂的丝绸作为原料,在管式炉中通过高温气相沉积与丝蛋白裂解的同时进行,实现了绒毛状碳纳米管在碳化丝绸上的原位生长。该绒毛织物中每根纤维都被绒毛状碳纳米管所包裹,与外界气流具有非常大的接触面积。由于碳纳米管具有良好的柔性,即使微小的气流也将引起其变形,从而使得整个结构的电阻发生变化,因此,依据其电阻与气流之间的依赖关系,可以用于制备超灵敏的气流传感器。测试表明,该材料独特的结构赋予了气流传感器优越的性能,包括气流检测限低(~ 0.05 m/s)、响应时间短(~ 1.3 s)、对多角度气流的响应 (0°-90°)、和良好的循环稳定性。此外,该超灵敏绒毛状织物基传感器还可以与普通碳化丝绸基气流传感器结合,用于实现宽气流检测范围 (0.05-7.0 m/s)。

在上述基础上,研究人员展示了该气流传感器的潜在应用。例如,佩戴在特殊工作环境里(例如矿井、超洁净间等)的人员身上,可监测外界气流变化并用LED灯泡的亮灭实时预警潜在隐患;通过对传感器轻轻吹气,可根据摩尔斯电码来实现信息传输;可通过气流变化引起的声音开关来提醒在外行走的盲人附近有快速移动的物体,以进行碰撞预警等。该传感器的开发填补了可穿戴智能传感器研究中的空白。其便捷的制作方法、优越的传感性能、和良好的柔性与透气性有助于其在柔性智能纺织品和可穿戴电子领域发挥应用价值。

相关研究以“Bioinspired Fluffy Fabric with In Situ Grown Carbon Nanotubes for Ultrasensitive Wearable Airflow Sensor”为题发表于《Advanced Materials》上