通往可穿戴智能设备的“丝绸之路”——从桑蚕丝绸到柔性应变传感器

来源:Materials Views China,2016-7-21

桑蚕丝素有“纤维皇后”的美誉,其不仅柔软光滑、色泽饱满,而且具有调节温湿度、冬暖夏凉的功效。桑蚕丝在我国产量丰富,伴随了我国上下几千年的文明发展历程。最近,清华大学化学系张莹莹团队(兼微纳米力学中心)开发了桑蚕丝的一种新用途-----用于制备高性能且低成本的柔性可穿戴传感器。近年来,可穿戴电子设备迅速兴起,因其巨大的应用价值和市场空间而成为世界各国研究的热点。其中,可穿戴应变传感器由于其在人体运动检测、健康医疗等方面的巨大市场潜力而受到广泛关注和研究。为了制备可穿戴应变传感器,人们曾采用同时具有机械柔性和导电性的纳米材料进行制作,例如金属纳米线、碳纳米管和石墨烯等。由于纳米材料和纳米结构自身的特点,通常存在着制备过程复杂、成本高等不利于规模化制备的缺点。更为重要的是,为了获得高性能的柔性可穿戴器件,我们期待器件兼具高灵敏性和宽应变工作范围,而且在大拉伸的情况下不被破坏。而目前所报道的柔性应变传感器往往不能同时具备高灵敏性和高可拉伸性,从而不能实现对全尺度人体运动的检测。

 

该团队另辟蹊径,采用市场上购得的最普通的平纹编织的真丝面料,首次发展了通过高温热裂解桑蚕丝绸并用于制备高性能柔性应力传感器的策略。由于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),所获得的碳化丝绸具有“纳米石墨晶-微米级纤维-宏观编织图案”多级结构,从而同时具有柔性、高导电性和高可拉伸性的特点,将其包埋于弹性聚合物中所制备的柔性传感器兼具高灵敏性和宽工作范围。具体而言,所制备的柔性传感器可以被反复拉伸到原长度的至少五倍,即可耐受 >500% 的应变,而且在该范围内一直保持了突出的灵敏度 (在0-250%和250-500%应变范围内灵敏系数分别达9.6和37.5);其响应时间低至70 毫秒;其重复性、稳定性和耐用性很高,在试验10,000次循环时一直保持了稳定的响应,且未观察到性能降低。

该应变传感器即可用于人体大尺度运动的检测,也可用于小尺度运动和微弱生理信号(比如脉搏)的检测。该团队展示了该传感器的诸多实际使用和出色性能,例如,直接贴于人体皮肤或负载在衣物、配饰上,用于检测关节运动(比如慢跑、跳跃等);也可以检测脉搏、微表情、呼吸、声带发声等微弱运动,从而实现可穿戴式检测。若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,从而服务于未来的虚拟科技发展。显然,这种将纤维织物进行碳化制备大应变高灵敏柔性传感器的策略也可以推广到其他纤维织物,如棉织物、人造纤维织物等,从而为高性能可穿戴应变传感器的低成本、大规模制备开辟了一条崭新的途径。

该工作近期以“Carbonized Silk Fabric for Ultra-stretchable, Highly Sensitive and Wearable Strain Sensor”为题发表在Advanced Materials上,DOI: 10.1002/adma.201601572。其第一作者是清华大学博士生王春雅,通讯作者是张莹莹副教授,清华大学微电子所得任天令教授团队和清华大学航天航空学院的徐志平教授团队合作参与了该项研究。