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软硬结合的新型纺织品,你能想象的到吗?

来源:未知 日期:2018-10-08 点击:

 
软硬结合的新型纺织品,你能想象的到吗?
 
 

来自麻省理工学院和AFFOA的研究人员第一次生产了带有嵌入式电子设备的纤维,这些纤维非常灵活,可以织入柔软的织物中,制成可穿戴的衣服。

(图片:由研究人员提供)

 

 

研究人员将光电二极管集成到纤维中,并将其编织成可洗的织物。

纺织品和纤维的最新发展是一种你可以穿的软硬件:有电子设备的布料直接内置在里面。

 

麻省理工学院的研究人员现在已经嵌入了高速光电半导体器件,包括发光二极管(led)和二极管光电探测器,这些光纤在南卡罗来纳的Inman Mills公司工厂里被编织成柔软的、可洗的织物,并制成了通讯系统。这标志着达成一项长期追求的目标——通过整合半导体设备——现代电子产品的关键原料——来创造“智能”面料。迄今为止,半导体器件正是制造具有复杂功能的织物的缺失部分。

 

研究人员说,这一发现可以为纤维释放一种新的“摩尔定律”——换句话说,随着芯片能力的发展,纤维的能力将随着时间的推移而呈指数增长,这是一种快速发展的过程。

 

这一发现发表在本周的自然杂志上,作者是麻省理工学院的研究生Michael Rein,及麻省理工学院、AFFOA、Inman Mills、瑞士洛桑的EPFL和林肯实验室的合作团队。他的研究顾问Yoel Fink正是麻省理工学院材料科学与电气工程教授、AFFOA的首席执行官。

 

软硬结合的新型纺织品,你能想象的到吗?
一组使用新工艺制作的细软纤维显示,嵌入式led灯会打开或关闭,以显示它们的功能。该团队使用了类似的纤维来将音乐传输到检测器纤维上,即使在水下也能工作。(图片:由研究人员提供)

 

传统上,光纤是由一种叫做“预成型”的圆柱形物体产生的,它本质上是一种被放大的纤维模型,然后加热它。软化的材料在张力下被拉伸,由此产生的纤维被收集在卷轴上。

 

生产这些新纤维的关键突破在于,将一粒沙子大小的发光半导体二极管加到一起,而一对铜线则是头发宽度的一小部分。在纤维拉伸过程中,当在熔炉中加热时,聚合物预先形成部分液化,成形为一种长纤维,二极管沿着中心排列,并由铜线连接。

 

在这种情况下,固体成分是两种使用标准微芯片技术制造的电子二极管:发光二极管(LEDs)和光敏二极管。Rein说:“在绘图过程中,设备和电线都保持着它们的尺寸,而周围的一切都在收缩。”然后,纤维被织入织物中,这些纤维被洗了10次,以证明它们的实用性是衣服的可能材料。

 

“这种方法增加了对纤维制造过程的新认识,” Rein说,他是该论文的主要作者,并提出了导致新过程的概念。“我们不是把所有的材料都放在一个液体状态下,而是用微粒和细金属丝混合在一起。”

 

将功能整合到纤维材料本身的一个好处是,由此产生的纤维本身是防水的。为了证明这一点,研究小组在一个鱼缸里放置了一些光探测纤维。水族馆外的一盏灯通过水将音乐(适当地称为汉德尔的“水音乐”)通过快速的光学信号的形式传输到纤维上。鱼缸中的纤维转换了光脉冲——如此之快以至于光在肉眼看起来是稳定的——电子信号,然后被转换成音乐。这些纤维在水中存活了好几个星期。

 

尽管这一原理听起来很简单,但要使它始终如一地工作,并确保纤维能够可靠、批量地制造,这是一个漫长而艰难的过程。由Jason Cox和Chia-Chun Chung领导的AFFOA的工作人员开发了提高产量、产能和整体可靠性的途径,使这些纤维能够过渡到工业。与此同时,来自Inman Mills的Marty Ellis开发了一种技术,用传统的工业制造规模化织机将这些纤维编织成织物。

 

“这篇论文描述了将半导体器件整合到纤维中的可扩展路径。我们预计未来几年将出现一种类似于纤维的摩尔定律。”Fink表示:“它已经允许我们扩展纤维织物的基本功能,以涵盖通讯、照明、生理监测等。”在未来的几年里,纤维织物将提供增值服务,不再仅仅是为了美观和舒适而选择。”

 

他说,第一批包含这项技术的商业产品最早将于明年进入市场——从实验室研究到商业化,这是一个非常短的过程。他说,这种快速的从实验室到市场的发展是创建像AFFOA这样的学术-行业-政府合作组织的一个关键部分。这些最初的应用将是涉及通信和安全的专门产品。“这将是第一个织物通讯系统。我们现在正处于将技术向国内制造商和工业转移的过程中,以前所未有的速度和规模。”他说。

 

Fink说,除了商业应用之外,美国国防部——AFFOA的主要支持者之一——“正在探索这些想法的应用给我们的男女军人制服。”

研究人员说,除了通讯之外,这些纤维可能在生物医学领域有重要的应用。例如,使用这种纤维的设备可能被用来制作一个腕带,可以测量脉搏或血氧水平,或者被编织成绷带,持续监测治疗过程。

 

这项研究部分是由麻省理工学院材料研究科学与工程中心(MRSEC)通过美国国家科学基金会的MRSEC项目来支持的,由美国陆军研究实验室和美国陆军研究办公室通过美国士兵纳米技术研究所提供的。这项工作也得到了负责研究和工程的国防部助理部长的支持。