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“丝绸之路”——从桑蚕丝绸到可穿戴智能设备

桑蚕丝被誉为“纤维皇后”,伴随了我国上下几千年的文明发展历程。最近,清华大学张莹莹团队提出一种利用桑蚕丝制备可穿戴应变传感器的途径。具体而言,利用市场上购得的平纹编织真丝面料,通过高温热裂解再进行封装即可制得性能优异的柔性传感器。平纹桑蚕丝绸固有的多级结构(经纬纱线分别由数根加捻微米蚕丝纤维和平行微米蚕丝纤维组成),使得通过高温热解所得碳化丝绸具有“纳米石墨晶-微米级纤维-宏观编织图案”分级结构,从而表现出柔性、高可拉伸性和高导电性的特点。将该碳化丝绸包埋于弹性聚合物即得柔性应变传感器,该应变传感器的独特优势在于兼具宽应变检测范围(0-500%)和高灵敏性(在0-250%和250-500%应变范围内灵敏系数分别达9.6和37.5),是被报道的首例兼具这两个特性的柔性传感器。并且,其响应时间小于70 毫秒,循环性和耐用性能极佳(大于10,000次循环)。


该应变传感器性能优异,可同时实现对人体大尺度运动、小尺度运动及微弱生理信号(比如脉搏)的检测。该团队展示了这种应变传感器的一系列应用。例如,可将其直接贴于人体皮肤或负载在衣物、配饰上,实现对人体关节运动(比如慢跑、跳跃等)、脉搏、微表情、呼吸、声带发声等微弱运动的可穿戴式检测。另外,如果将其与信号处理及命令生成系统集成,还可实现对人体运动的捕捉与重建,从而服务于虚拟现实技术的发展。这种柔性传感器的制备策略可推广到其他纤维织物,如棉织物、人造纤维织物等,从而为柔性可穿戴传感器的低成本、大规模制备提供了一条实用的途径。


该项工作主要由张莹莹团队完成,清华大学任天令教授团队徐志平教授团队合作参与了该项研究。这一研究成果近期发表在《Advanced Materials》上,文章的通讯作者是张莹莹,第一作者是清华大学博士研究生王春雅


http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201601572/full


原文:Carbonized Silk Fabric for Ultrastretchable, Highly Sensitive, and Wearable Strain Sensors

Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201601572


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