洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研發(fā)出在拉伸十倍時仍保持導(dǎo)電性的液態(tài)金屬纖維，為智能可穿戴設(shè)備開辟新道路。

在可穿戴電子領(lǐng)域的重大飛躍中，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員創(chuàng)造出一種基于纖維的電子傳感器，即使拉伸至原始長度十倍以上仍能完全正常工作。

這一突破可能改變智能服裝、物理康復(fù)設(shè)備和軟體機(jī)器人的未來。

其中的秘密成分？液態(tài)金屬。

但這并非你想象中那種危險的金屬。在洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院工程學(xué)院的光子材料與纖維器件實驗室中，"液態(tài)金屬"指的是一種安全、柔韌的銦鎵混合物，這是一種無毒合金，在室溫下保持液態(tài)，并具有優(yōu)異的導(dǎo)電性。

挑戰(zhàn)在于加工

然而，問題在于如何將這種合金轉(zhuǎn)化成能夠彎曲、拉伸且仍能可靠導(dǎo)電的材料。

"液態(tài)金屬極難加工，"光子材料與纖維器件實驗室主任法比安·索蘭解釋道，并補(bǔ)充說，"要生產(chǎn)出兼具高穩(wěn)定性導(dǎo)電性和拉伸性的電子纖維尤其困難。"

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊現(xiàn)已利用熱拉法解決了這一難題，這是一種傳統(tǒng)上用于制造光纖的技術(shù)。

"我們將熱拉法集成到一個極大簡化的流程中，用于生產(chǎn)具有精細(xì)定制電子特性的纖維傳感器，這使得它們成為運動和健康監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域智能紡織品的理想候選材料，"索蘭表示。

簡易、靈敏、可拉伸

該工藝始于一個"預(yù)制棒"，這是電子纖維的放大版本，其中包含以3D模式精心排列的液態(tài)金屬組件。

然后，這個預(yù)制棒被加熱并拉伸，很像熔化的塑料，從而生產(chǎn)出保留同樣復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)纖維。

據(jù)該研究的第一作者、博士生斯特拉·拉佩魯薩茲介紹，這種3D模式是突破的關(guān)鍵。它使研究人員能夠定義單根纖維的哪些區(qū)域具有電活性或絕緣性。

"當(dāng)液態(tài)金屬與柔軟的彈性體基質(zhì)混合時，會形成許多小液滴，"她解釋道。"加熱和拉伸預(yù)制棒的過程會破碎這些液滴并激活液態(tài)金屬的導(dǎo)電性。這意味著我們可以通過控制哪些區(qū)域被激活，來精細(xì)調(diào)整單根纖維的功能。"

性能卓越

測試表明，這些纖維即使在拉伸超過十倍時仍保持高靈敏度，其性能優(yōu)于那些在形變時常會喪失電性能的傳統(tǒng)可拉伸傳感器。

在導(dǎo)電性、彈性和簡易加工性之間取得的這種平衡，使得洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的方法對可穿戴應(yīng)用領(lǐng)域尤其具有吸引力。

智能護(hù)膝應(yīng)用示范

為了展示其潛力，研究團(tuán)隊將這種纖維嵌入一個柔軟的護(hù)膝中，該護(hù)膝能夠追蹤佩戴者的運動。
在受試者行走、跑步、下蹲和跳躍時，該護(hù)膝成功監(jiān)測了關(guān)節(jié)彎曲，甚至能精確重建受試者的跑步步態(tài)。

"得益于其易于集成的特性，我們的纖維可以輕松用于監(jiān)測其他關(guān)節(jié)（如腳踝、肩部或手腕）的運動并檢測異常，"索蘭說。

他補(bǔ)充道，可擴(kuò)展性是團(tuán)隊接下來的工作重點。

"傳統(tǒng)的電子設(shè)備可能過于脆弱或僵硬，難以集成到紡織品中，但我們的纖維通過足夠的規(guī)?；?，可以集成到數(shù)米甚至數(shù)千米的織物中。這種織物隨后可用于生產(chǎn)可穿戴設(shè)備、軟質(zhì)假肢或機(jī)器人肢體的傳感器。"

該項研究成果已發(fā)表在《自然·電子學(xué)》期刊上。

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