新型传感器可以实现更智能的纺织品

特拉华大学的一个工程师团队正在开发下一代智能纺织品，通过在各种纤维(包括棉，尼龙和羊毛)上制造柔性碳纳米管复合涂层。他们的发现在ACS传感器杂志中得到了报道，他们展示了测量极宽压力范围的能力 - 从轻触指尖到被叉车驾驶。

涂有这种传感技术的织物可用于未来的“智能服装”，其中传感器滑入鞋底或缝合到衣服中以检测人体运动。

碳纳米管赋予这种轻盈，柔韧，透气的织物涂层令人印象深刻的感应能力。当挤压材料时，容易测量织物中的大的电气变化。

“作为传感器，它对从触摸到吨的力量非常敏感，”机械工程和材料科学与工程系副教授Erik Thostenson说。

使用聚乙烯亚胺官能化碳纳米管的电泳沉积(EPD)在纤维上产生神经样导电纳米复合涂层。

“这些电影很像一种增加电感功能的染料，”Thostenson说。“在我的实验室开发的EPD工艺创造了这种非常均匀的纳米复合材料涂层，该涂层牢固地粘合在纤维表面上。该工艺在工业上可扩展，适用于未来的应用。”

现在，研究人员可以将这些传感器添加到织物中，其方式优于目前制造智能纺织品的方法。UD的多功能复合材料实验室负责人Thostenson表示，现有的技术，例如将金属或针织纤维与金属丝一起电镀的纤维，会降低织物的舒适性和耐用性。Thostenson集团开发的纳米复合涂层具有柔韧性和触感舒适性，并已经过各种天然和合成纤维的测试，包括Kevlar，羊毛，尼龙，氨纶和涤纶。涂层厚度仅为250至750纳米 - 厚度约为纸张的0.25至0.75% - 并且仅增加约一克重量的典型鞋或服装。更重要的是，用于制造传感器涂层的材料价格低廉且相对环保，

探索未来的应用

传感器涂层织物的一个潜在应用是测量人们走路时的脚部受力。这些数据可以帮助临床医生评估受伤后的不平衡或帮助预防运动员受伤。具体而言，Thostenson的研究小组正在与机械工程教授Jill Higginson和UD神经肌肉生物力学实验室主任以及她的团队合作，作为由Delaware INBRE资助的试点项目的一部分。他们的目标是了解这些传感器嵌入鞋类时如何与生物力学实验室技术(如仪表化跑步机和动作捕捉)进行比较。

在实验室测试期间，人们知道他们正在被监视，但在实验室外，行为可能会有所不同。

“我们的一个想法是，我们可以在实验室环境之外使用这些新颖的纺织品 - 走在街上，在家里，无论在哪里，”Thostenson说。

UD的机械工程博士生Sagar Doshi是该论文的第一作者。他致力于制造传感器，优化灵敏度，测试其机械性能，并将它们整合到凉鞋和鞋子中。他在初步测试中佩戴了传感器，到目前为止，传感器收集的数据与强制板收集的数据相比较，强制板是一种通常需要花费数千美元的实验室设备。

“由于低成本传感器薄而灵活，因此可以创建定制鞋类和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，”Doshi说。“这些数据可以在以后由研究人员或治疗师进行分析，以评估表现并最终降低医疗成本。”

该技术对于运动医学应用，手术后恢复以及用于评估儿科人群中的运动障碍也是有希望的。

“在一段时间内以及在现实的背景下收集儿童的运动数据可能具有挑战性，”Nemours儿童临床研究和发展中心主任Robert Akins说道 - 阿尔弗雷德杜邦儿童医院Wilmington和UD的材料科学与工程，生物医学工程和生物科学的附属教授。“像这样的薄，灵活，高度敏感的传感器可以帮助物理治疗师和医生远程评估儿童的移动性，这意味着临床医生可以以经济有效的方式收集更多数据，并可能获得更好的数据，这需要更少的访问诊所做法。“

跨学科合作对于未来应用的开发至关重要，在UD，工程师有机会与UD的科学，技术和高级研究(STAR)校园的健康科学学院的教师和学生一起工作。

“作为工程师，我们开发新材料和传感器，但我们并不总是了解医生，物理治疗师和患者所面临的关键问题，”Doshi说。“我们与他们合作解决他们面临的问题，并将他们引导到现有的解决方案或创建一个创新的解决方案来解决这个问题。”

Thostenson的研究小组还将纳米管传感器用于其他应用，例如结构健康监测。

“我们长期以来一直在使用碳纳米管和基于纳米管的复合传感器，”作为UD复合材料中心(UD-CCM)附属教授的Thostenson说。与土木工程研究人员合作，他的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。“我一直对复合材料感兴趣的事情之一就是我们以不同的比例设计它们，从宏观的零件几何形状，飞机或飞机机翼或汽车的一部分，到织物结构或纤维然后，纳米级增强材料如碳纳米管和石墨烯为我们提供了另一个层次来定制材料的结构和功能特性。虽然我们的研究可能是基础，总是关注应用程序。UD-CCM在通过UD-CCM的工业联盟将实验室的基础研究发现转化为商业产品方面有着悠久的历史。“