清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出具有良好柔性、透明性、可用于智能織物的離子導(dǎo)電蠶絲纖維

隨著智能可穿戴設(shè)備的興起，人們致力于發(fā)展具有與人體皮膚相似感知功能的智能紡織品。然而，迄今為止，能夠感知外部危險(xiǎn)、特異性識(shí)別且準(zhǔn)確定位人體手指觸摸的智能感知紡織品仍有待實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，清華大學(xué)化學(xué)系張瑩瑩教授團(tuán)隊(duì)制備了具有優(yōu)異力學(xué)和電學(xué)性能的蠶絲基離子水凝膠(SIH)纖維，并基于此設(shè)計(jì)了一種智能感知紡織品，該紡織品能夠快速響應(yīng)外部危險(xiǎn)，如火燒、水浸和銳利物劃傷，以保護(hù)人體/機(jī)器人免受傷害；同時(shí)，還設(shè)計(jì)了能夠特異性識(shí)別、可準(zhǔn)確定位人體手指觸摸的感知紡織品，使其可以用作柔性的可穿戴人機(jī)交互界面，以輔助人們便捷地控制遠(yuǎn)程終端。通過(guò)連續(xù)濕法紡絲和溶劑交換制備的SIH纖維，由于其內(nèi)部的半結(jié)晶、高取向結(jié)構(gòu)與離子液體的加入，而具有出色的斷裂強(qiáng)度(55 MPa)和延展性(530%)，以及穩(wěn)定且優(yōu)異的導(dǎo)電性(0.45 S·m–1)。基于此纖維設(shè)計(jì)的織物在智能可穿戴設(shè)備與柔性人機(jī)交互界面等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力。4月17日，該研究以題為“Intelligent perceptual textiles based on ionic-conductive and strong silk fibers”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。

作者利用從蠶繭中提取的絲素蛋白制備了紡絲原液，并采用連續(xù)濕法紡絲方法制備了再生蠶絲纖維。將該纖維通過(guò)含有離子液體([Emim]BF4)、甘油和水的溶液中以進(jìn)行溶劑交換，制備了蠶絲基離子水凝膠(SIH)纖維。該纖維展現(xiàn)出良好的柔性、透明性和可編織性。并且基于良好的導(dǎo)電性，可以用作電致發(fā)光器件的柔性透明電極。

通過(guò)熱重分析、能量色散光譜(EDS)與紅外光譜證實(shí)了[Emim]BF4均勻地分布于SIH纖維中。熱重曲線中位于350℃的重量損失歸因于[Emim]BF4。EDS圖譜中的元素F歸屬于[Emim]BF4。紅外光譜中位于1169 cm–1處的峰可歸因于[Emim]+環(huán)中C?N?C的不對(duì)稱振動(dòng)。與此同時(shí)，紅外光譜與偏光顯微鏡圖片證明了SIH纖維的半結(jié)晶結(jié)構(gòu)與高取向結(jié)構(gòu)。

SIH纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)與電學(xué)性能。其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別達(dá)到4 MPa和530%。而進(jìn)一步的牽伸處理(溶劑交換前)可以將其拉伸強(qiáng)度提高至55 MPa，比之前報(bào)道的水凝膠纖維(＜10 MPa)高出數(shù)倍。其離子電導(dǎo)率可達(dá)0.45 S·m–1，并且在放置3周后或在各種機(jī)械刺激（按壓、彎曲、拉伸）下能夠保持穩(wěn)定。

作者探索了SIH纖維在危險(xiǎn)感知智能紡織品中的潛在應(yīng)用。通過(guò)將SIH纖維集成到商業(yè)手套中，設(shè)計(jì)了一種用于仿生機(jī)械手的智能防護(hù)手套。當(dāng)暴露在危險(xiǎn)條件(火、水和銳利物)下時(shí)，智能手套會(huì)產(chǎn)生特征的電學(xué)信號(hào)，以準(zhǔn)確地識(shí)別這些危險(xiǎn)。

進(jìn)一步地，作者使用SIH纖維設(shè)計(jì)了可以特異性識(shí)別、準(zhǔn)確定位人手觸摸的纖維與織物。首先制備了SIH纖維基織物：將單根SIH纖維集成到商業(yè)織物上，或?qū)⑵渚幙棾善郊y織物。通過(guò)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以特異性識(shí)別和準(zhǔn)確定位人手觸摸的位點(diǎn)或區(qū)域，這使其不同于對(duì)任何物體接觸/按壓都產(chǎn)生響應(yīng)的壓阻型或電容型傳感織物。當(dāng)人們穿戴由SIH纖維制成的織物時(shí)，可以通過(guò)對(duì)其進(jìn)行觸摸以控制遠(yuǎn)程終端。

總結(jié)：作者報(bào)道了一種強(qiáng)韌的離子導(dǎo)電蠶絲纖維，并展示了其如何被巧妙地應(yīng)用在設(shè)計(jì)智能感知紡織品上。并用于設(shè)計(jì)與制備了智能感知紡織品，這些紡織品不僅能快速識(shí)別外部威脅（如火燒、水浸和銳利物劃傷），還能特異性識(shí)別并精確定位人類手指的觸摸動(dòng)作。其應(yīng)用場(chǎng)景包括智能感知防護(hù)手套和高精度的柔性人機(jī)交互界面。這項(xiàng)研究進(jìn)一步展示了天然蠶絲材料在智能穿戴領(lǐng)域的巨大潛力，并且為下一代智能可穿戴設(shè)備和柔性智能紡織品的設(shè)計(jì)與制備貢獻(xiàn)了創(chuàng)新的材料和方法。

資料來(lái)源：高分子科學(xué)前沿、NTMT紡織新材料