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导读

美国佛罗里达农工大学与佛罗里达州立大学工程学院的研究人员开发出一类超薄柔性的运动传感器。这一研究具有突破性意义，预示着无处不在、全集成、廉价的可穿戴技术即将到来。

关键字

碳纳米管、物联网、可穿戴技术

背景

时下，可穿戴技术发展迅猛，各种可穿戴产品层出不穷，例如：智能织物、智能皮肤、智能手环、智能手表、智能贴片、智能手套等。未来，可穿戴技术正在朝着低成本、高舒适度、结实耐用、自供电、柔性化的方向发展。

然而，材料在推进可穿戴技术进步的过程中扮演了非常关键的作用。笔者之前重点介绍过石墨烯、柔性导电聚合物、二维材料等材料在可穿戴技术、柔性电子器件、印刷电子中的应用。

除了以上这些材料，还有一个材料非常值得我们重视，它就是碳纳米管。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，具有六边形结构的完美连接，以及许多优秀的力学，电学和化学特性。

（图片来源：维基百科）

下面，让我们先来回顾一下之前介绍过的案例。

案例一：沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的研究人员，为棉线涂上一层奇特材料：单壁碳纳米管（SWCNT），制造出智能线，用于检测压力的强度和位置。这种智能线，在受到更强的机械压力时，其电阻会降低，而电阻的强度变化，也依赖于SWCNT涂层的厚度。这种智能线可用于电子皮肤、机器人、医学假肢等领域。

（图片来源：阿卜杜拉国王科技大学）

案例二：此外，美国斯坦福大学科学家合成的电子皮肤，其中也使用到了充满导电碳纳米管材料的锥体。当皮肤感受到压力时，这些锥体会发生压缩，使得其内部的碳纳米管向着一起更加紧密地移动，从而增加了他们集体的导电率。压力越大，就会发出越频繁的电子脉冲。

（图片来源：斯坦福大学）

案例三：美国莱斯大学的研究人员研发出由碳纳米管纤维制成的无线天线，性能堪比铜天线，而重量却只有1/20。因为具有重量和柔性方面的优势，这种天线有望应用于航空航天领域和可穿戴电子设备。

（图片来源：Jeff Fitlow / 莱斯大学）

案例四：美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员合成了一种超薄的碳纳米管纺织品，它具有高导电性以及比铜薄膜高50倍的韧性，可应用于电子领域。

（图片来源于：伊利诺伊大学）

创新

最近，在一篇发表于《材料与设计》（Materials and Design）杂志的论文中，佛罗里达州立大学高性能材料研究所的工程师们与法国里昂国立应用科学学院的科学家们展开合作，详细描述了使用“巴基纸”，制造高级系列运动传感器的工艺。这种工艺具有令人印象深刻的特性，而且节约成本。这种“巴基纸”指的是一种超薄、具有柔性、非常耐用的碳纳米管。

（图片来源：佛罗里达州立大学）

技术

这种新型传感器结构将一条狭长的、7微米厚的巴基纸，与银电极相结合，由普通的商用喷墨打印机打印。

（图片来源：参考资料【2】）

结果制成了一种恰好完美的传感器：既不像普通的柔性金属传感器那样感觉迟钝，也不像更加灵敏的半导体传感器那样僵硬笨重。

这种可穿戴的巴基纸传感器结合了这些理想品质。它们是柔性的，而且可以流畅地感知细微的运动和应力。

DeGraff 表示：

“我们测量了传感器的应变系数，它代表了材料在拉伸或者弯曲时，其电阻改变了多少。我们的应变系数达到商用传感器8倍之高，比其他许多的碳纳米管传感器都高75%。”

价值

这些新型的巴基纸传感器代表了对于现有工业标准的显著提升。对于可靠地监测复杂结构例如人体来说，大多数的传感器要么太粗糙，要么太僵硬。高性能材料研究所的主任、佛罗里达农工大学与佛罗里达州立大学工程学院的教授 Richard Liang 表示：

“现有的技术不适合用于它的设计。对于传感器技术来说，你需要它是柔性、廉价、可扩展的。这项新技术具有多种用途，这种传感器的打印成本低。它是一个巨大的创新，代表了这条道路上的许多可能性。”

眼下，可印刷的巴基纸传感器的潜在应用已经超越了研究者的想象范围。这种低调的设计可集成到床单中监测睡眠质量，集成到鞋子中监测步数、姿势，集成到运动服中监测运动强度。

同时，研究人员也预测潜在的应用将超越可穿戴技术的范畴。在软体机器人领域，这种材料将促进生产刺激响应、自我纠正的人造肌肉。

此外，可扩展的传感器代表了朝着长期预测的“物联网”未来又迈出了重要一步。在物联网时代，几乎所有的个人电脑、设备、服装、家具和电器都可以数字化连接在一起，在云端自由地交流信息。

这项研究的领导作者、博士研究生 Joshua DeGraff 表示：

“大多数的项目并没有这么多的应用。这种材料可用于结构健康监测、可穿戴技术以及各个领域。我感到非常兴奋，它可以在日常生活中影响到大多数的人。”

未来

随着可印刷的传感器技术继续开发，研究人员希望在这种已经非常细的材料上进行改善，让它可以集成到不会束手束脚的舒适性衣服中。

为了保证材料顺应人体的可变曲线和裂缝，需要进一步测试这种复杂模型材料。

虽然这项技术目前还没有达到它的黄金时间，但是极具前景的未来一直鼓舞着研究人员。Liang 表示：

“作为工程教授，我们想要看到我们在实验室创造的东西变为成功的产品。我们目前还没有达到，但这是重要的一步。消费者想要价廉物美，这种材料恰好可以提供。”

参考资料

【1】http://news.fsu.edu/news/science-technology/2017/11/16/new-motion-sensors-major-step-toward-low-cost-high-performance-wearable-technology/

【2】Joshua DeGraff, Richard Liang, Minh Quyen Le, Jean-Fabien Capsal, Florent Ganet, Pierre-Jean Cottinet. Printable low-cost and flexible carbon nanotube buckypaper motion sensors. Materials & Design, 2017; 133: 47 DOI: 10.1016/j.matdes.2017.07.048

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