導讀

據美國哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院官網近日報道，該校研究人員開發出一款超靈敏、彈性極強的應變感測器，它可以嵌入到織物以及軟體機器人系統中。

背景

想想你心愛的T恤衫，就是你穿過幾百次，遭受過你種種“蹂躪”的那件。你已經記不住洗過多少遍，灑過多少汙漬，拉扯過多少次，揉皺過多少次，甚至可能有一次靠在爐邊將它燒焦。

我們的衣服會遭受各種“虐待”，如果未來的智慧織物能夠承受住我們的種種“虐待”，那麼它們的元器件就需要有彈性。

創新

近日，美國哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）和維斯生物啟發工程研究所的研究人員開發出一款超靈敏、彈性極強的應變感測器，它可以嵌入到織物以及軟體機器人系統中。

（圖片來源：Oluwaseun Araromi/哈佛大學 SEAS）

這項研究發表在《自然》（Nature）雜誌上。

技術

SEAS 材料科學與機械工程系以及維斯研究所的研究助理、論文第一作者 Oluwaseun Araromi 表示：“目前的軟體應變計確實很靈敏，但也很脆弱。問題在於我們正工作在矛盾中，高度靈敏的感測器通常非常脆弱，而非常堅固的感測器通常並不十分靈敏。因此，我們需要找到能夠滿足每個特性的機制。”

最後，研究人員創造出一個外觀和行為非常類似螺旋彈簧玩具（Slinky）的設計。

Araromi 表示：“Slinky 是由剛性金屬製成的實心圓柱體，但是如果把它做成螺旋形狀，那麼就變得可拉伸。這就是我們的基本思路，我們從一個剛性塊狀材料開始，在這個案例中是碳纖維，將它做成螺旋形狀，從而使感測器變得可拉伸。”

這個圖案稱為“蛇形蜿蜒”，因為其螺旋起伏的形狀類似於蛇的滑行。然後，研究人員將這種蛇形蜿蜒形狀的導電碳纖維放在兩個預應變的彈性基底之間。

感測器的圖案化導電碳纖維的特寫檢視。（圖片來源：James Weaver/哈佛大學 SEAS）

就像當你拉扯 Slinky 兩端使其首尾相連一樣，隨著碳纖維的邊緣相互接觸，該感測器的導電性會發生變化。即使應變很小，這個過程也會產生，這對於感測器的高靈敏度來說很關鍵。

不同於目前需要依靠矽或金奈米線等特殊材料的高靈敏度可拉伸感測器，這款感測器，不需要特殊的製造工藝，甚至不需要無塵室，可以由任何導電材料製成。

為了測試感測器的彈性，研究人員用手術刀捅，用錘子敲，用汽車碾壓，還扔進洗衣機洗了十次，但感測器在每次測試中毫髮無損。

為了證明其靈敏度，研究人員將感測器嵌入到織物臂套中，並要求受試者穿戴該臂套，做出不同的手勢動作，包括握緊拳頭、張開手掌、掐手指等動作。感測器透過織物檢測到受試者前臂肌肉的細微變化，並用機器學習演算法成功地對這些手勢進行分類。

（圖片來源：哈佛大學 SEAS）

Araromi 表示：“這些彈性和機械耐用性特徵將這個感測器帶入了一個全新的階段。”

從虛擬現實模擬、運動服飾到神經退行性疾病（如帕金森氏病）的臨床診斷，這樣的臂套會有各種應用場景。

哈佛大學技術開發辦公室已經申請保護該專案相關的智慧財產權。

SEAS 工程與應用科學系教授、論文高階作者 Robert Wood 說：“高靈敏度與彈性的結合是這種感測器的明顯優點。但這項技術另一個與眾不同的地方是，構成材料及裝配方法的低廉成本。這樣會使得在智慧織物及其他領域推廣該項技術變得更加容易。”

SEAS 教授、論文合著者之一的 Conor Walsh 表示：“由於該柔性感測器可以親密地貼合人體，我們目前正在探索如何將該感測器嵌入到服裝中。這樣可以使我們在一天中對一個人進行生物力學和生理學測量，從而帶來令人振奮的新應用，這是用目前的方法所不能實現的。”

關鍵詞

智慧織物、感測器、服裝

參考資料

【1】Oluwaseun A。 Araromi， Moritz A。 Graule， Kristen L。 Dorsey， Sam Castellanos， Jonathan R。 Foster， Wen-Hao Hsu， Arthur E。 Passy， Joost J。 Vlassak， James C。 Weaver， Conor J。 Walsh， Robert J。 Wood。

Ultra-sensitive and resilient compliant strain gauges for soft machines

。

Nature

， 2020； 587 （7833）： 219 DOI： 10。1038/s41586-020-2892-6