特拉华大学(University of Delaware)的一个工程师团队正在开发下一代智能纺织品，他们在包括棉花、尼龙和羊毛在内的多种纤维上制造柔性碳纳米管复合涂层。他们的发现发表在《ACS传感器》杂志上。在杂志上，他们展示了测量异常大范围压力的能力——从指尖轻触到叉车。
涂有这种传感技术的织物可以用于未来的“智能服装”，在这种服装中，传感器可以插入鞋底或缝入衣服中，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传感能力。当材料被挤压时，织物的电性变化很容易测量。
“作为一种传感器，它对从触摸到吨的各种力都非常敏感，”机械工程和材料科学与工程学系副教授埃里克索斯滕森(Erik Thostenson)说。
利用聚乙烯亚胺功能化碳纳米管的电泳沉积(EPD)在纤维上形成神经状的导电纳米复合涂层。
托斯滕森说:“这种薄膜的作用很像一种染料，可以增加电子传感功能。”“我们实验室开发的EPD工艺创造了这种非常统一的纳米复合涂层，这种涂层与纤维表面紧密结合。这个过程对于未来的应用程序是可扩展的。
现在，研究人员可以将这些传感器添加到织物上，这种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的负责人Thostenson说，现有的技术，例如用金属电镀纤维或编织纤维和金属线结合在一起，会降低织物的舒适性和耐久性。Thostenson小组开发的纳米复合涂层具有柔韧性和手感，已经在包括凯夫拉尔、羊毛、尼龙、氨纶和聚酯在内的一系列天然和合成纤维上进行了测试。这种涂层只有250到750纳米厚——大约0.25到0.75%的厚度相当于一张纸那么厚——对于一般的鞋子或衣服来说，只会增加大约1克的重量。更重要的是，用于制造传感器涂层的材料既便宜又相对环保，因为它们可以在室温下用水作为溶剂进行处理。
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脚上的力。这些数据可以帮助临床医生评估受伤后的不平衡，或者帮助预防运动员受伤。具体来说，Thostenson的研究小组正在与机械工程教授、UD神经肌肉生物力学实验室主任Jill Higginson合作，她的小组是由Delaware INBRE资助的一个试点项目的一部分。他们的目标是观察当这些传感器嵌入到鞋子中时，它们如何与生物力学实验室技术(如仪器式跑步机和运动捕捉)相比较。
在实验室测试中，人们知道自己被监视，但在实验室之外，他们的行为可能会有所不同。
托斯坦森说:“我们的想法之一是，我们可以在实验室以外的地方利用这些新奇的纺织品——走在大街上，在家里，在任何地方。”
Sagar Doshi是UD大学机械工程专业的博士生，是这篇论文的主要作者。他致力于制造传感器，优化它们的灵敏度，测试它们的机械性能，并将它们集成到凉鞋和鞋子中。他在初步测试中戴上了传感器，到目前为止，传感器收集的数据与力板收集的数据相比。力板是一种实验室设备，通常需要数千美元。
Doshi说:“因为这种低成本的传感器又薄又灵活，所以有可能通过集成电子设备来定制鞋子和其他服装，在日常生活中存储数据。”“研究人员或治疗师可以稍后对这些数据进行分析，以评估绩效，最终降低医疗成本。”
这项技术在运动医学应用、手术后恢复和评估儿科人群的运动障碍方面也有前景。
“收集”也是非常有挑战性的运动数据的孩子在一段时间内,在一个现实的背景下,“罗伯特·阿金斯来说说儿科临床研究与发展中心的主任内穆尔,阿尔弗雷德·威尔明顿和附属儿童医院教授材料科学与工程、生物医学工程和生物科学在特拉华大学。“像这样轻薄、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孩子的活动能力，这意味着临床医生可以以一种成本效益高的方式收集更多数据，可能还能收集到更好的数据，这比目前的方法需要更少的就诊次数。”
跨学科的合作对于发展未来的应用至关重要，在特拉华大学，工程师有一个独特的机会与健康科学学院的教师和学生一起工作在特拉华大学的科学、技术和先进研究(STAR)校园。
Doshi说:“作为工程师，我们开发新材料和传感器，但我们并不总能理解医生、物理治疗师和病人面临的关键问题。”“我们与他们合作，共同解决他们面临的问题，要么指导他们找到现有的解决方案，要么创造一个创新的解决方案来解决这个问题。”
Thostenson的研究小组还将基于纳米管的传感器用于其他应用，例如结构健康监测。
“长期以来，我们一直在使用碳纳米管和纳米管为基础的复合传感器，”特拉华大学复合材料中心(UD- ccm)的教职员工Thostenson说。他的团队与土木工程的研究人员合作，开创了柔性纳米管传感器的发展，以帮助检测桥梁和其他大型结构的裂缝。“关于复合材料，有一件事一直让我感兴趣，那就是我们以不同的尺度来设计它们，从宏观的几何形状，飞机或飞机机翼或汽车的一部分，到织物结构或纤维水平。”然后，纳米级的增强材料，如碳纳米管和石墨烯，为我们提供了另一个层次来调整材料的结构和功能特性。虽然我们的研究可能是基础的，但总有对应用的关注。uc - ccm通过其工业联盟将实验室的基础研究发现转化为商业产品已经有很长的历史了。
这项工作得到了美国国家科学基金会(NSF)职业项目和特拉华州INBRE项目的支持，并得到了美国国家自然科学基金会(NIH-NIGMS) (P20-GM103446)和特拉华州的资助。
——文章发布于2018年8月16日
