把數(shù)百億碳納米管穿身上！

“以前全世界都解決不好的一個(gè)問題，有望被此次成果解決?！毕愀劾砉ご髮W(xué)智能可穿戴系統(tǒng)研究院院長、紡織科技講座教授陶肖明，認(rèn)為萊斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)最新研發(fā)的碳納米管線襯衫值得肯定。

碳納米管線襯衫

碳納米管線襯衫

她表示，自己幾年前就了解到該碳納米管線團(tuán)隊(duì)正在做的事。

而在最近的《披荊斬棘的哥哥》節(jié)目中，哥哥們舞蹈訓(xùn)練強(qiáng)度很大，但有一位藝人穿著智能襯衫，這讓他能更輕松地完成訓(xùn)練?？梢哉f，智能襯衫正在逐漸走入尋常百姓家。

而此次萊斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)，把碳納米管線做成電極和信號線放置到襯衫中，它不僅能檢測心率，還能連續(xù)記錄用戶的心電圖。

在此前同類服裝中，一般使用金屬導(dǎo)線，比如不銹鋼纖維、或者直接在聚酯或聚酰胺纖維上鍍一層金屬。此類方法存在的問題是，衣服多次出汗后，會讓金屬氧化進(jìn)而降低導(dǎo)電性能。另外金屬與皮膚直接接觸，有可能發(fā)生敏感等。

當(dāng)前，最先進(jìn)的穿戴式心臟監(jiān)測技術(shù)，使用的是可傳導(dǎo)的聚合物肩帶，它的厚度很大，而且必須穿在運(yùn)動服下。

而本次襯衫的誕生，可實(shí)現(xiàn)“一魚兩吃”，不僅能防寒蔽體、還能檢測健康指標(biāo)，用戶無需額外花錢購智能手表。

由于碳納米管線很柔軟，可像棉線一樣用機(jī)器縫制成織物，因此研究人員把導(dǎo)電碳納米管線縫入運(yùn)動服中，即可執(zhí)行相關(guān)功能。

制備過程

這些纖維采用鋸齒形針腳圖案，因此導(dǎo)線在拉伸的同時(shí)不會遭到破壞。而這些鋸齒形圖案也可根據(jù)襯衫、或其他面料的拉伸程度進(jìn)行調(diào)整。

不過制備出能縫進(jìn)衣服的碳納米管線，也并非一帆風(fēng)順。最初的線大約有22微米寬，這太窄了縫紉機(jī)根本無法處理。后來，該團(tuán)隊(duì)制備出一種可縫紉的線，每束有7根碳納米管線，集合三束后即可編織成與普通縫紉線大致相同的尺寸。

陶肖明說，亞洲人的頭發(fā)大概是直徑70微米，此次的單根碳納米管線只有22微米，因此大概只有不到頭發(fā)直徑的三分之一。它的導(dǎo)電性能很好，基本可以取代金屬來做信號線。拉伸強(qiáng)度滿足要求，可彎折。最重要的優(yōu)點(diǎn)是電化學(xué)惰性，汗水對其不起作用。

這些纖維與金屬線一樣具有導(dǎo)電性，但可以和衣服一起進(jìn)行清洗，碳納米管具有和紡織線一樣的機(jī)械行為，不會讓人感覺這是一根金屬線，因此穿起來沒有不適感。并且，當(dāng)用戶做運(yùn)動時(shí)，管線斷裂的可能性也比較低。

反復(fù)被洗衣機(jī)清洗和拉伸之后，也不會導(dǎo)致信號降低，這說明該襯衫能和傳統(tǒng)服裝制造技術(shù)相結(jié)合。

該團(tuán)隊(duì)表示，在實(shí)驗(yàn)中，就收集數(shù)據(jù)來說，碳納米管襯衫比進(jìn)行實(shí)時(shí)測量的胸帶監(jiān)視器更好。當(dāng)與商用醫(yī)療電極監(jiān)測器配合使用時(shí)，碳納米管線襯衫的心電圖略好一些。

通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)，測量心電圖

為了顯示測量心電圖的信號，該團(tuán)隊(duì)將碳納米管線縫在可拉伸的紡織品中，形成了可以戴在手腕上的電極。這些紡織品被綁在手腕上，以測量傳感器的阻抗和心電圖信號。

然后，在手臂肘窩中放置一個(gè)3M紅點(diǎn)接地電極，另外放置兩個(gè)3M紅點(diǎn)電極，以便并排比較獲得的信號。下圖顯示了碳納米管線電極和商業(yè)電極的整體皮膚電極阻抗。

對比來看，增加碳納米管線電極的尺寸變化并不會顯著降低阻抗，并且碳納米管線電極也不會對傳感器性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)將一個(gè)碳納米管線電極放置在手腕和前臂上，并在肘部附近放置一個(gè)商業(yè)接地電極。然后，受試者用握緊拳頭抓住了他前臂的肌肉。

下圖顯示了碳納米管線電極收集的肌電圖，其中白色箭頭表示受試者與肌肉接觸，黑色箭頭表示受試者放松肌肉。肌肉的激活電位與基線信號明顯不同，這表明碳納米管線電極可作為無創(chuàng)肌電電極。

在所有實(shí)驗(yàn)中，碳納米管線電極的信噪比都與商業(yè)電極相當(dāng)。將碳納米管線電極拉伸到紡織品的最大應(yīng)變（60%）再釋放，連續(xù)1000次以上。重復(fù)多次后，碳納米管線電極的信噪比沒有明顯降低。

在該研究中，碳納米管線被縫在運(yùn)動襯衫的胸部，以展示電子紡織品的功能。在下圖中，該團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)碳納米管線電極連接到一個(gè)商業(yè)心率監(jiān)測器（PolarH1035）的藍(lán)牙發(fā)射器上，該發(fā)射器能和佩戴在用戶胸部的聚合物帶一起工作。這時(shí)研究人員把電極縫在襯衫內(nèi)側(cè)肋骨區(qū)域周圍，以便與皮膚接觸。

此外，碳納米管線被縫在襯衫的外側(cè)，從胸部出發(fā)的電極可連接到脖子后面。在襯衫的頸部，碳納米管線線程連接到藍(lán)牙發(fā)射器，藍(lán)牙發(fā)射器在受試者跑步和行走時(shí)，均能被發(fā)送到智能手機(jī)的心率數(shù)據(jù)。

下圖顯示了同時(shí)對比碳納米管線電極運(yùn)動衫和商用電極從動態(tài)心電圖監(jiān)測器獲得的心電圖信號。

這些結(jié)果表明，碳納米管線傳感器和電線無縫集成到現(xiàn)有的系統(tǒng)中，此外作為電極和數(shù)據(jù)傳輸線，它允許傳輸電子設(shè)備放置在身體的任何地方，以優(yōu)化用戶的舒適度。

這些纖維不僅能和佩戴者的皮膚保持穩(wěn)定的電接觸，還可作為電極連接藍(lán)牙發(fā)射器等電子設(shè)備，也能將數(shù)據(jù)中繼到智能手機(jī)、或連接到可放在口袋里的監(jiān)視器上。

潛在用途還包括人機(jī)界面等

其他潛在用途包括汽車或軟機(jī)器人的人機(jī)界面，健康監(jiān)測器和軍裝中的防彈保護(hù)。

由于具備導(dǎo)電性，并且能和皮膚進(jìn)行良好接觸，如此優(yōu)秀的生物相容性，也讓碳納米管線成為可穿戴設(shè)備的天然組件。

并且，可通過直接分解的方式，從碳?xì)浠衔镏刑崛√技{米管線，這一過程也可產(chǎn)生清潔的氫氣。

目前，穿這款襯衫時(shí)必須緊貼胸部，未來研究人員將專注于使用更密集的碳納米管線片，以便有更多的表面積與皮膚接觸。

相關(guān)論文以《電子服裝用可清洗、可焊縫、全碳電極和信號線》為題發(fā)表在Nano Letters上。

碳納米管紡成紗線

浙江大學(xué)光電學(xué)院李強(qiáng)教授表示，該成果的亮點(diǎn)是使用標(biāo)準(zhǔn)的縫紉方法，將基于碳納米管線的電子器件（包括電極和傳輸線）和織物進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)柔軟、可穿戴傳感器，用于無創(chuàng)和連續(xù)的人體健康監(jiān)測。相比傳統(tǒng)的金屬線，碳納米管線不只具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，而且與皮膚和組織有低接觸阻抗和高生物兼容性，同時(shí)具備柔軟靈活特點(diǎn)。

事實(shí)上，最早于201 3年，該團(tuán)隊(duì)引入了碳納米管纖維，每根纖維都有數(shù)百億個(gè)納米管。此前，研究人員將其用于修復(fù)受損心臟的旁路，并將其用于大腦電接口、人工耳蝸、以及汽車和航空航天的天線等。

總之，碳納米管線是可穿戴紡織品的理想選擇;它柔軟靈活、可機(jī)洗，并且很容易融入服裝或紡織品。李強(qiáng)也表示，可穿戴電子產(chǎn)品是一個(gè)前景廣闊的產(chǎn)業(yè)，目前可穿戴電子產(chǎn)品（包括傳感器和傳輸線）很難集成到織物上，因此當(dāng)下主要作為織物配件存在。而此次萊斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)的成果，為碳基材料用于可穿戴傳感、監(jiān)測和診斷器件，提供了新思路。

此外，以往的研究表明，碳納米管線在多個(gè)生物尺度上是無毒的，它和多種細(xì)胞都具有良好的細(xì)胞相容性，對免疫細(xì)胞或血液參數(shù)沒有影響。

陶肖明表示，將來萊斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)一旦攻克安全問題，就可以落地進(jìn)行量產(chǎn)。當(dāng)前的智能手表雖然可以測心率，但是測不出來準(zhǔn)確的心電圖，有些顯示的心電圖經(jīng)過了大數(shù)據(jù)修正。另外她認(rèn)為，該襯衫也可以考慮緩解運(yùn)動后的疲勞。比如體育鍛煉以后往往很勞累，那么讓襯衫中的碳納米管纖維對身體產(chǎn)生微電流刺激，還可以緩解疲勞。（綜合整理報(bào)道）（編輯/費(fèi)勒萌）