當下，不少紡織企業(yè)已經(jīng)以自動化、信息化、智能化為突破口，謀求轉(zhuǎn)型升級的新發(fā)展。日前，特拉華大學（University of Delaware）的一組工程師利用在棉花、尼龍和羊毛等各種纖維上制作出柔性碳納米管復(fù)合涂層的方法開發(fā)下一代智能紡織品。新型傳感器可以測量很大范圍的壓力變化，可以測量從輕觸指尖的微小壓力到驅(qū)動叉車的巨大壓力之間的變化。他們的成果以“超薄柔性碳納米管壓力傳感器”為題，發(fā)表在“ACS傳感器”雜志上。

未來的“智能服裝”可能會使用這種具有傳感技術(shù)的織物，帶有傳感器的鞋子的鞋底或衣服，可隨時檢測人體運動狀態(tài)。

SagarDoshi（左）和埃里克·托斯滕森測試配備了他們的新型傳感器的肘部袖子

碳納米管賦予這種織物涂層輕便、靈活、透氣的特性，同時具有非凡的傳感能力。這種織物涂層被擠壓時，很容易測量出其中明顯的電學變化。

特拉華大學機械工程系和材料科學與工程系的副教授埃里克·托斯滕森（Erik Thostenson）表示：“作為傳感器，它對從觸摸級到噸級的力都非常敏感?！?/p>

他們的研究小組利用聚乙烯亞胺功能化碳納米管的電泳沉積技術(shù)（EPD），在纖維上制備了神經(jīng)狀導(dǎo)電納米復(fù)合涂層。

托斯滕森表示：“這些薄膜的作用就像一種染料，增加了電感應(yīng)功能。我的實驗室開發(fā)的EPD工藝創(chuàng)造了這種非常均勻的，可以與纖維表面牢固地結(jié)合在一起納米復(fù)合涂層。該EPD工藝具有工業(yè)級的擴展性，可以滿足未來各種生產(chǎn)應(yīng)用的需求?！?/p>

目前，研究人員可以使用這種涂層將傳感器添加到織物上，比現(xiàn)有的其他制造智能紡織品的方法優(yōu)越。指導(dǎo)特拉華大學多功能復(fù)合材料實驗室工作的托斯滕森解釋說：“現(xiàn)有的其他技術(shù)，比如電鍍金屬纖維技術(shù)或同時編織針織纖維和金屬絲的技術(shù)，會降低織物的舒適性和耐久性?！?/p>

托斯滕森小組開發(fā)的納米復(fù)合涂層具有良好的柔韌性和觸摸感，并已在Kevlar、羊毛、尼龍、氨綸和聚酯等多種天然和合成纖維上進行了測試。涂層只有250到750納米厚，大約是一張紙厚度的0.25%到0.75%，并且只會給傳統(tǒng)的鞋或衣服增加大約1克的重量。此外，用于制作傳感器涂層的材料價格低廉，相對環(huán)保：它們可以在室溫環(huán)境下以水作為溶劑進行加工。

開拓全新的應(yīng)用

傳感器涂層織物的一個潛在應(yīng)用是測量人們走路時腳上的力量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以幫助臨床醫(yī)生評估患者受傷后的損傷情況，或者幫助運動員預(yù)防受傷。這個應(yīng)用的開發(fā)工作是特拉華大學INBRE資助的一個試點項目的一部分，托斯滕森的研究小組正在與特拉華大學的機械工程學教授、神經(jīng)肌肉生物力學實驗室主任吉爾·希金森（Jill Higginson）的小組合作，攻克其中的難點。他們的目標是拿這些嵌入鞋子里的傳感器，與傳統(tǒng)的生物力學實驗室技術(shù)如儀器式跑步機和運動捕捉等進行對比，看是否具備獨特的性能優(yōu)勢。

人們在實驗室進行測試的時候是知道自己正在被監(jiān)視的，但在實驗室之外，測試者心理狀況不同可能會導(dǎo)致其行為是不同的。

托斯滕森說：“我們設(shè)計了一個解決方案，在實驗室之外進行測試并獲取數(shù)據(jù)：穿戴有這些新穎的紡織品的測試者走在街上、家里、任何其他地方的時候，才開始記錄他們的數(shù)據(jù)?！?/p>

特拉華大學的機械工程博士、論文的主要作者SagarDoshi，在項目中負責的是制造傳感器、優(yōu)化它們的靈敏度、測試它們的力學性能、并將它們集成到鞋子中。他已經(jīng)在進行初步測試的人員身上佩戴了傳感器。他們到目前為止已經(jīng)獲取了兩種數(shù)據(jù)：傳感器收集的數(shù)據(jù)和需要花費數(shù)千美元的實驗室設(shè)備壓力板收集的數(shù)據(jù)。

Doshi表示：“這種低成本的傳感器薄而且靈活，所以有可能制造出集成有電子產(chǎn)品的定制鞋類和服裝，用來存儲日常生活中的運動數(shù)據(jù)。研究人員或治療師可以對這些數(shù)據(jù)進行分析，以評估運動效果或者降低醫(yī)療成本。”

這項技術(shù)在運動醫(yī)學、手術(shù)后恢復(fù)以及評估兒童運動障礙方面也有很大的應(yīng)用前景。

位于威爾明頓的阿爾弗雷德·杜邦兒童醫(yī)院兒童臨床研究和發(fā)展中心主任、特拉華大學材料科學和工程學院的附屬生物醫(yī)學工程和生物科學系教授羅伯特·阿金斯說：“想要在短時間內(nèi)實現(xiàn)從現(xiàn)實環(huán)境中收集兒童的運動數(shù)據(jù)是很有挑戰(zhàn)性的。這種薄薄的、靈活的、高度敏感的傳感器可以幫助物理治療師和醫(yī)生遠程評估孩子的運動情況。這意味著臨床醫(yī)生可以收集更多的數(shù)據(jù)，并可能以一種成本效益更高的方式收集到更好的數(shù)據(jù)，而不需要病人像傳統(tǒng)的方法那樣頻繁地出入診所?！?/p>

跨學科的合作對于發(fā)展未來應(yīng)用是至關(guān)重要的。工程師在特拉華大學有一個能夠同教師和學生合作交流的獨特機會。這些老師和同學來自特拉華大學的健康科學學院，負責科學、技術(shù)和校園先進研究（STAR）項目的工作。

Doshi表示：“我們作為工程師能夠開發(fā)出新的材料和傳感器，但我們并不總是完全理解醫(yī)生、理療師和病人所面臨的關(guān)鍵問題。我們與他們合作，致力于解決他們所面臨的問題，引導(dǎo)他們找到一個現(xiàn)在已有的解決方案，或者制定一個創(chuàng)新的解決方案來解決這個問題?！?/p>

托斯滕森的研究小組還計劃將基于納米管的傳感器用于其他應(yīng)用，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

托斯滕森表示：“我們長期以來一直在研究碳納米管和基于納米管的復(fù)合傳感器。我們通過與土木工程研究人員合作，率先開發(fā)出了柔性納米管傳感器，用來檢測橋梁和其他大型結(jié)構(gòu)中存在的裂縫?！?/p>

我感興趣的復(fù)合材料的開發(fā)方向之一是如何在不同的長度范圍內(nèi)設(shè)計和使用這些材料：從宏觀部分的幾何形狀如飛機部件、飛機機翼、汽車零部件的水平到織物結(jié)構(gòu)、纖維級別的水平?，F(xiàn)在，碳納米管和石墨烯等納米增強材料為我們定制材料的結(jié)構(gòu)和功能特性提供了另一個物理層次的幫助。我們的研究雖然可能是基礎(chǔ)性的，但人們看到了這項研究的廣泛應(yīng)用的潛力。特拉華大學的復(fù)合材料研究中心（UD-CCM）有著通過學校的工業(yè)聯(lián)盟將實驗室的基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品的悠久歷史。