文/李夢(mèng)婷

美國(guó)特拉華州立大學(xué)的科學(xué)家通過在各種纖維（包括棉纖維、尼龍和羊毛）上研發(fā)柔性碳納米管復(fù)合涂層的方式，制造出下一代智能紡織品。該團(tuán)隊(duì)已證明，這類智能紡織物能廣泛測(cè)量壓力，從輕觸指尖到駕駛叉車，利用智能紡織品可測(cè)試的領(lǐng)域幾乎無處不在。

讓所有纖維產(chǎn)生感應(yīng)數(shù)據(jù)

美國(guó)《ACS傳感器》期刊報(bào)道稱，帶有這種傳感功能的織物可用于未來的“智能服裝”，這類傳感材質(zhì)可置入鞋底或縫合到衣服中以檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)狀況。這種柔性納米管復(fù)合涂層因?yàn)橘x予了輕盈、柔韌、透氣新功能，因此才具有新的生命力。令人印象深刻的是，它竟然具有感應(yīng)能力。當(dāng)擠壓時(shí)，這種材料可通過其中的電流變化情況提供數(shù)據(jù)。

該大學(xué)機(jī)械工程和材料科學(xué)與工程系副教授這樣說，“作為傳感材料，它又對(duì)從觸摸到壓強(qiáng)所帶來的受力非常敏感?！逼湓蚴撬昧司垡蚁﹣啺饭δ芑技{米管的電泳沉積技術(shù)（EPD），使其產(chǎn)生了與神經(jīng)一樣的導(dǎo)電納米復(fù)合感應(yīng)涂層。這很像在膠片膜中增加了電感功能?？茖W(xué)家利用了實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的EPD工藝創(chuàng)造出這種非常均勻的納米復(fù)合涂層，它與纖維表面粘合牢固。該工藝在工業(yè)上擁有廣泛的應(yīng)用空間，更適用于未來新品。

研究人員現(xiàn)在可將這類傳感織物應(yīng)用于紡織品，其特點(diǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的智能紡織品。該大學(xué)的多功能復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人表示，依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)，如金屬或針織纖維和金屬絲一起鍍上這類材料，有可能降低織物原有的舒適性和耐久性，但這種納米復(fù)合纖維涂層卻能產(chǎn)生另一種無與倫比的柔韌性和觸感舒適性。這種材料已在一系列天然與合成纖維上進(jìn)行過測(cè)試，包括Kevlar纖維、羊毛、尼龍、氨綸和聚酯纖維，它幾乎可以讓所有纖維材質(zhì)帶有感應(yīng)力。而涂層厚度僅為250nm～750nm，約為紙張厚度的0.25%至0.75%，并且用在鞋子或服裝上僅增加很微小的重量。此外，用于制造傳感器涂層的材料價(jià)格低廉且相對(duì)環(huán)保，可在室溫下用水作為溶劑進(jìn)行處理。

帶有人體力學(xué)檢測(cè)功能

這類帶傳感功能的涂層織物的另一潛在應(yīng)用是測(cè)量人行走時(shí)的腳部力量。其數(shù)據(jù)可幫助臨床醫(yī)生評(píng)估受傷者失衡或幫助預(yù)防運(yùn)動(dòng)員受傷。該研究小組正與機(jī)械工程專家和神經(jīng)肌肉生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任以及團(tuán)隊(duì)進(jìn)行密切合作。作為由該大學(xué)INBRE資助的項(xiàng)目之一，它僅僅是試點(diǎn)項(xiàng)目的開端。他們的目標(biāo)是要了解這類帶傳感功能并嵌入鞋內(nèi)時(shí)如何與生物力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行比較，如儀表跑步機(jī)和捕捉動(dòng)作產(chǎn)生的力的差異。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試期間，被測(cè)試者知道他們正在被監(jiān)視，但在實(shí)驗(yàn)室外，人們的行為就有所不同。這類織物傳感材質(zhì)靈敏度極高，測(cè)試機(jī)械性能時(shí)很有效，將其整合到拖鞋和步行鞋中自然可為患者提供有效的服務(wù)。佩戴這種材料時(shí)，它又能收集數(shù)據(jù)并與強(qiáng)化板數(shù)據(jù)相比較，強(qiáng)化板是一種通常需要花費(fèi)數(shù)千美元的試驗(yàn)設(shè)備。

由于成本低廉且靈活，該傳感材料因此可用于研發(fā)新型定制鞋類并用于其他帶有集成電子設(shè)備的服裝，以便在日常生活中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。所獲數(shù)據(jù)又可在隨后提供給研究人員或治療師進(jìn)行分析，以評(píng)估其表現(xiàn)并最終降低醫(yī)療成本。

該技術(shù)適用于運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、手術(shù)后恢復(fù)及評(píng)估兒科患者的運(yùn)動(dòng)障礙。當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)的背景下收集兒童運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)還具有挑戰(zhàn)性，但兒科臨床研究和發(fā)展中心負(fù)責(zé)人則認(rèn)為，像這樣輕薄、靈活、高靈敏度的傳感材料可幫助理療師和醫(yī)生遠(yuǎn)程評(píng)估兒童的移動(dòng)情況，這意味著臨床醫(yī)生可用經(jīng)濟(jì)有效的方式收集更多數(shù)據(jù)，這還減少了患者去診所的頻率。

重新定義未來的檢測(cè)手段

開發(fā)這類傳感器與新材料息息相關(guān)，與醫(yī)生、理療師和患者的配合也很關(guān)鍵，他們所面臨的諸多難題需要合作才能解決，并將其引向現(xiàn)有的方案，創(chuàng)建新的解決模式。因此，它的進(jìn)一步研究需要跨學(xué)科的合作，這對(duì)未來應(yīng)用至關(guān)重要。在這家研究中心，工程師有機(jī)會(huì)與科學(xué)技術(shù)和健康科學(xué)學(xué)院的高級(jí)（STAR）教師和學(xué)生一起工作。他們由此能獲得更多數(shù)據(jù)。該研究小組還將納米管傳感材料用于其他領(lǐng)域，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

利用碳納米管和基于納米管的復(fù)合傳感材料已不是新穎的話題，但要開發(fā)出帶有傳感功能的材質(zhì)卻需要與土木工程研究人員合作，其團(tuán)隊(duì)率先開發(fā)了柔性納米管傳感器，以幫助檢測(cè)橋梁和其他類型的大型結(jié)構(gòu)中的裂縫。他們因此還必須對(duì)復(fù)合材料感興趣，從宏觀幾何形狀分析，用這種材料對(duì)飛機(jī)或飛機(jī)機(jī)翼或汽車的零部件進(jìn)行測(cè)試，也能測(cè)試織物結(jié)構(gòu)或纖維水平。

業(yè)界認(rèn)為，這為碳納米管和石墨烯等納米級(jí)增強(qiáng)材料提供了另一層次的檢測(cè)手段。雖然該研究還處于方興未艾的階段，但在確定材料的結(jié)構(gòu)和功能特性上，它可能重新定義未來的檢測(cè)手段，其應(yīng)用的優(yōu)越性顯而易見。業(yè)界確信，他們把實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品的過程已不太遙遠(yuǎn)。