特拉华大学研发出新型智能纺织品材料

文/李梦婷

美国特拉华州立大学的科学家通过在各种纤维（包括棉纤维、尼龙和羊毛）上研发柔性碳纳米管复合涂层的方式，制造出下一代智能纺织品。该团队已证明，这类智能纺织物能广泛测量压力，从轻触指尖到驾驶叉车，利用智能纺织品可测试的领域几乎无处不在。

让所有纤维产生感应数据

美国《ACS传感器》期刊报道称，带有这种传感功能的织物可用于未来的“智能服装”，这类传感材质可置入鞋底或缝合到衣服中以检测人体运动状况。这种柔性纳米管复合涂层因为赋予了轻盈、柔韧、透气新功能，因此才具有新的生命力。令人印象深刻的是，它竟然具有感应能力。当挤压时，这种材料可通过其中的电流变化情况提供数据。

该大学机械工程和材料科学与工程系副教授这样说，“作为传感材料，它又对从触摸到压强所带来的受力非常敏感。”其原因是它利用了聚乙烯亚胺功能化碳纳米管的电泳沉积技术（EPD），使其产生了与神经一样的导电纳米复合感应涂层。这很像在胶片膜中增加了电感功能。科学家利用了实验室开发的EPD工艺创造出这种非常均匀的纳米复合涂层，它与纤维表面粘合牢固。该工艺在工业上拥有广泛的应用空间，更适用于未来新品。

研究人员现在可将这类传感织物应用于纺织品，其特点优于现有的智能纺织品。该大学的多功能复合材料实验室负责人表示，依据现有的技术，如金属或针织纤维和金属丝一起镀上这类材料，有可能降低织物原有的舒适性和耐久性，但这种纳米复合纤维涂层却能产生另一种无与伦比的柔韧性和触感舒适性。这种材料已在一系列天然与合成纤维上进行过测试，包括Kevlar纤维、羊毛、尼龙、氨纶和聚酯纤维，它几乎可以让所有纤维材质带有感应力。而涂层厚度仅为250nm～750nm，约为纸张厚度的0.25%至0.75%，并且用在鞋子或服装上仅增加很微小的重量。此外，用于制造传感器涂层的材料价格低廉且相对环保，可在室温下用水作为溶剂进行处理。

带有人体力学检测功能

这类带传感功能的涂层织物的另一潜在应用是测量人行走时的脚部力量。其数据可帮助临床医生评估受伤者失衡或帮助预防运动员受伤。该研究小组正与机械工程专家和神经肌肉生物力学实验室主任以及团队进行密切合作。作为由该大学INBRE资助的项目之一，它仅仅是试点项目的开端。他们的目标是要了解这类带传感功能并嵌入鞋内时如何与生物力学试验技术进行比较，如仪表跑步机和捕捉动作产生的力的差异。

在实验室测试期间，被测试者知道他们正在被监视，但在实验室外，人们的行为就有所不同。这类织物传感材质灵敏度极高，测试机械性能时很有效，将其整合到拖鞋和步行鞋中自然可为患者提供有效的服务。佩戴这种材料时，它又能收集数据并与强化板数据相比较，强化板是一种通常需要花费数千美元的试验设备。

由于成本低廉且灵活，该传感材料因此可用于研发新型定制鞋类并用于其他带有集成电子设备的服装，以便在日常生活中存储数据。所获数据又可在随后提供给研究人员或治疗师进行分析，以评估其表现并最终降低医疗成本。

该技术适用于运动医学、手术后恢复及评估儿科患者的运动障碍。当然，在现实的背景下收集儿童运动数据还具有挑战性，但儿科临床研究和发展中心负责人则认为，像这样轻薄、灵活、高灵敏度的传感材料可帮助理疗师和医生远程评估儿童的移动情况，这意味着临床医生可用经济有效的方式收集更多数据，这还减少了患者去诊所的频率。

重新定义未来的检测手段

开发这类传感器与新材料息息相关，与医生、理疗师和患者的配合也很关键，他们所面临的诸多难题需要合作才能解决，并将其引向现有的方案，创建新的解决模式。因此，它的进一步研究需要跨学科的合作，这对未来应用至关重要。在这家研究中心，工程师有机会与科学技术和健康科学学院的高级（STAR）教师和学生一起工作。他们由此能获得更多数据。该研究小组还将纳米管传感材料用于其他领域，如结构健康监测。

利用碳纳米管和基于纳米管的复合传感材料已不是新颖的话题，但要开发出带有传感功能的材质却需要与土木工程研究人员合作，其团队率先开发了柔性纳米管传感器，以帮助检测桥梁和其他类型的大型结构中的裂缝。他们因此还必须对复合材料感兴趣，从宏观几何形状分析，用这种材料对飞机或飞机机翼或汽车的零部件进行测试，也能测试织物结构或纤维水平。

业界认为，这为碳纳米管和石墨烯等纳米级增强材料提供了另一层次的检测手段。虽然该研究还处于方兴未艾的阶段，但在确定材料的结构和功能特性上，它可能重新定义未来的检测手段，其应用的优越性显而易见。业界确信，他们把实验室的基础研究转化为商业产品的过程已不太遥远。