將電子元件刺繡到下一代“智慧”面料中

與今天的可穿戴裝置不同,新型面料有望配備柔性且可水洗的天線和電池

在2016年消費電子展(CES)上展示的Digitsole智慧鞋。

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以下文章經許可轉載自The Conversation,這是一個報道最新研究的線上出版物。

考古學揭示,大約在17萬年前,即倒數第二次冰河時代附近,人類就開始穿衣服。然而,即使是現在,大多數現代人穿的衣服也僅僅與最早的服裝略有不同。但這種情況即將改變,因為柔性電子元件正越來越多地編織到所謂的“智慧面料”中。


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其中許多已經可以購買,例如提供輕柔振動的瑜伽褲,可以跟蹤運動員表現的T恤,以及可以監測心率的運動文胸。智慧面料在醫療保健(測量患者的心率和血壓)、國防(監測士兵的健康和活動水平)、汽車(調節座椅溫度以提高乘客的舒適度)甚至智慧城市(讓標誌牌與路人交流)中都具有潛在的應用前景。

理想情況下,這些服裝的電子元件——感測器、傳輸資料的天線和供電電池——將是小巧、靈活且不易被穿著者注意到的。對於感測器來說,今天的情況確實如此,其中許多感測器甚至可以機洗。但大多數天線和電池都是剛性的且不防水,因此在清洗衣物之前需要將其從衣服上拆下來。

我在俄亥俄州立大學電科學實驗室的工作旨在製造同樣靈活且可水洗的天線和電源。具體來說,我們正在使用導電線,我們稱之為“電子線”,將電子元件直接刺繡到面料中。

天線刺繡

我們正在使用的電子線是絞合的聚合物長絲束,以提供強度,每根長絲都有金屬基塗層以導電。每根長絲的聚合物芯通常由凱夫拉爾或Zylon製成,而周圍的塗層是銀。然後將數十根甚至數百根這樣的長絲絞合在一起,形成一根通常小於半毫米寬的電子線。

這些電子線可以很容易地與常見的商業刺繡裝置一起使用——人們每天用來在運動夾克和運動衫上繡名字的相同的計算機連線的縫紉機。刺繡天線重量輕,效果與剛性銅質天線一樣好,並且可以像最先進的印刷電路板一樣複雜。

我們的電子線天線甚至可以與普通線在更復雜的設計中結合使用,例如將天線整合到公司徽標或其他設計中。我們已經能夠在薄至歐根紗和厚至凱夫拉爾的面料上刺繡天線。一旦刺繡完成,導線可以透過傳統的焊接或將元件插在一起的柔性互連件連線到感測器和電池。

到目前為止,我們已經能夠為帕金森病或癲癇患者建立讀取深層腦訊號的智慧帽子。我們刺繡了帶有天線的T恤,以擴充套件Wi-Fi訊號到穿著者的手機的範圍。我們還製作了可以監測嬰兒身高以篩查一系列兒童早期疾病的墊子和床單。而且我們製作了可摺疊天線,用於測量織物所在的表面彎曲或抬起的程度。

超越天線

我的實驗室還與俄亥俄州立大學的其他研究人員合作,包括化學家Anne Co和醫生Chandan Sen,以製造基於柔性面料的微型發電機。

我們使用類似於噴墨列印的過程,將銀和鋅點的交替區域放置在織物上。當這些金屬與汗液、鹽水甚至傷口分泌的液體接觸時,銀充當正極,鋅充當負極——電流在它們之間流動。

我們僅透過將織物弄溼就產生了少量電力——無需任何額外的電路或元件。這是一種完全靈活、可水洗的電源,可以與其他可穿戴電子裝置連線,從而無需傳統的電池。

這些靈活的可穿戴電子裝置,無論是組合使用還是單獨使用,都將把服裝轉變為互聯、感測、通訊的裝置,與互聯互通的21世紀完美融合。

本文最初發表於The Conversation。閱讀原文

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