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《Nature》子刊:数字刺绣!用于可穿戴的液态金属电子纺织品

 材料科学网 2022-06-25 发表于江西

编辑推荐:本文提出可大规模制备经过计算优化的电磁设计图案的数字化刺绣工艺,在现有织物上成功制备了具有近场无线电力和通信功能的电子纺织系统,同时该材料在承受反复机械力和多次洗涤干燥循环后表现出出色的鲁棒性。

电子纺织品可以将数字技术与人体无缝连接,是目前众多研究中非常有吸引力的一种方法。通过利用我们对服装的内在需求,电子纺织品可以消除通常与植入式或表皮电子产品相关的侵入性和风险。然而,由于底层材料的电子性能、柔韧性和坚固性受到限制,因此通过服装实现这些功能具有一定的挑战性,这些材料必须在日常使用中承受反复的机械、热和化学应力。

近日,新加披国立大学Rongzhou Lin为第一作者,展示了具有近场无线电力和通信功能的电子纺织系统:通过将液态金属纤维通过数字化刺绣集成到衣服上并实现图案化。得到的纺织品可用作无线电力发射器和近场通信接口,在经受反复的应力和应变过程以及多次洗涤和干燥循环时表现出出色的耐用性。相关论文以题为“Digitally-embroidered liquid metal electronic textiles for wearable wireless systems发表在Nature Communications
论文链接:
/articles/s41467-022-29859-4 

液态金属(Ga68.5/In21.5/Sn10)具有优异的导电性、低熔点和生物相容性好等优点,通过将其注射到具有优异的耐化学性、耐热性、抗裂性和耐应力性、低摩擦系数和高电气绝缘性的PFA管材中,可以实现具有高电气和机械性能的液态金属纤维的大规模制备。

在这项工作中,研究人员利用所得到的液态金属纤维,通过数字化刺绣工艺将计算优化的电磁设计图案准确地转移到现有服装上,得到具有无线电力传输和通信功能的电子纺织品。即使暴露于或浸入模拟汗水的盐水溶液中,该纺织品也可以向附近的无电池设备提供无线电力传输(图 1f)。当液态金属纤维形成了近场继电器从而扩展了 NFC 的范围,在两者都靠近感应图案的前提下,这种纺织品可以在智能手机和相距半米的无电池纺织品传感器之间建立连接(图 1g)。

1. 数字化刺绣过程示意图以及具有无线电力传输和通信功能的电子纺织品
比较三种不同类型的线在纺织基材上进行数字刺绣的螺旋电感器:铜线、市售的聚氨酯封装导电线和液态金属纤维,基于液态金属纤维的纺织螺旋电感器在 13.56 MHz 时达到Q  = 44.4 的最高品质因数。对 10 厘米长传输线的散射参数S 21的测量表明,液态金属纤维在 13.56 MHz 处的传输效率可与铜线 (~0.02 dB cm -1 ) 相媲美,并且明显高于导电线 (~0.1 dB cm -1 ) ( 2 c)

2. 由刺绣铜线 (M1)、聚氨酯封装的导电线 (M2) 和液态金属纤维 (M3) 制成的螺旋电感器的图像以及相关性能对比

3. 用于为生物电子植入物无线供电的纺织发射器的示意图

4. 使用贴在颈部、腰部和膝盖上的液态金属纤维的数字刺绣制作的皮肤贴片

5.通过集成在衬衫上的近场继电器与智能手机阅读器连接制备纺织品热监测系统

总的来说,这项研究通过液态金属纤维的数字化刺绣成功制备在供电和通信方面具有近场无线功能的电子纺织品。数字化刺绣工艺能够使经过设计优化的近场感应图案实现大规模制备,同时在不影响底层服装的耐用性或透气性的情况下建立无线连接。这项技术如果推广,可用于为患者体内的生物电子植入物供电,检测老年人等高危人群的疾病,并为运动员提供全身追踪和反馈。(文:crazy材料)

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