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高水平学术论文专题|北服刘继广教授团队《ACS AMI》:方便裁剪制作可穿戴传感器的导电纤维织物

北京服装学院刘继广教授团队在揭示了导电纤维织物电性能变化机理的基础上,发展出可裁剪的纯布基柔性传感材料,极大方便了高灵敏可穿戴柔性传感器的制备,经北服材料院与信工、文理和服饰多个学院共同合作研究,导电织物以遥控手指套、传感鞋垫为例显示出高灵敏性和宽测量范围。

文章揭示的传感理论在指导各种导电传感织物的制作方面具有广泛的普适性。该文章以题为“A Conductive Bamboo Fabric with Controllable Resistance for Tailoring Wearable Sensors”于2022年6月发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上,该论文的第一作者为北服材料院李梦浩和王宇鑫,刘继广教授为通讯作者。

我们基于P(NIPAM-AA)颗粒在纤维上的自组装方案,进一步原位生长导电聚合物制备了一种新的导电竹纤维织物,显示出优良的导电性。我们在实验中发现了织物结构与电各向异性导电性的关系。进一步我们发现了织物结构变形与电阻变化的关系,我们进而在数学分析的基础上揭示了导电织物传感性能的本源及其遵循的指数衰减变化规律,电阻在应变或压力下以指数衰减规律急剧变化,因此只要织物结构轻微变化,它就会非常敏感。这种变化规律为设计或定制各种高性能可穿戴传感器开辟了新的道路,可以制造多种不同用途的可穿戴传感器。

我们首先通过裁剪直接制备了柔性全布基传感指套,当戴在手指上后可直接用于遥控机械手。当手指弯曲时,力施加在相应的手指套筒上,导致电阻减小和电压信号增加。当手指伸直时,由于力消失,信号返回。因此,电压变化(ΔV)用于表示电导率的变化。将电压变化前后的差作为输出信号。输出信号可以准确、快速地反映手指的弯曲程度,当执行手指套的重复弯曲测试时,手指在选定的输出信号值周围振动,响应时间小于0.1s。这种电响应指套可进一步用于在机械手串联电路连接后远程操作机械手,机械手指可根据人手指的运动分别作出相应的动作

进一步我们裁剪制作了传感鞋垫,导电织物可用于基于接触电阻的变化检测压力变化,如图4所示,裁剪成鞋垫后,其可用于检测步行时的足部动作。如图4和视频所示,四个测量点分别匹配测量中人的脚后跟、外侧足底、前脚掌外侧和前脚掌内侧。利用测出的数据,可以实时监测人体的重心移动,脚部受力点及其受力时间,从而为人体的动态监测提供了很好的方案。另外,通过数据传输可以直接在计算机屏幕上进行实时的显示,视频显示测量点的亮度变化和点亮的先后次序,反映了身体重心的迅速转移,这种信号的变化非常灵敏而迅速,为智能可穿戴的发展奠定了坚实的基础。

总之,该文章制备了新的导电纤维织物,发现了导电性能与织物结构的关系,构建了各向异性传感织物,揭示了导电织物传感的本源,为高灵敏织物传感器的发展提供了理论指南和新的研究方向。裁剪制作的全布基传感指套和耐水传感鞋垫分别用于遥控机械手的精确控制和人体运动的高灵敏监测,有力促进了智能可穿戴领域的发展。








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