導讀
美國佛羅里達農工大學與佛羅里達州立大學工程學院的研究人員開發出一類超薄柔性的運動感測器。 這一研究具有突破性意義， 預示著無處不在、全集成、廉價的可穿戴技術即將到來。
關鍵字
碳納米管、物聯網、可穿戴技術
背景
時下， 可穿戴技術發展迅猛， 各種可穿戴產品層出不窮， 例如：智能織物、智能皮膚、智能手環、智能手錶、智能貼片、智能手套等。 未來， 可穿戴技術正在朝著低成本、高舒適度、結實耐用、自供電、柔性化的方向發展。
然而， 材料在推進可穿戴技術進步的過程中扮演了非常關鍵的作用。
除了以上這些材料， 還有一個材料非常值得我們重視， 它就是碳納米管。 碳納米管作為一維納米材料， 重量輕， 具有六邊形結構的完美連接， 以及許多優秀的力學， 電學和化學特性。
下面， 讓我們先來回顧一下之前介紹過的案例。
案例一：沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的研究人員， 為棉線塗上一層奇特材料：單壁碳納米管 （SWCNT）， 製造出智慧線， 用於檢測壓力的強度和位置。 這種智慧線， 在受到更強的機械壓力時， 其電阻會降低， 而電阻的強度變化， 也依賴于SWCNT塗層的厚度。 這種智慧線可用於電子皮膚、機器人、醫學假肢等領域。
案例二：此外， 美國斯坦福大學科學家合成的電子皮膚， 其中也使用到了充滿導電碳納米管材料的錐體。 當皮膚感受到壓力時， 這些錐體會發生壓縮， 使得其內部的碳納米管向著一起更加緊密地移動， 從而增加了他們集體的導電率。 壓力越大， 就會發出越頻繁的電子脈衝。
案例三：美國萊斯大學的研究人員研發出由碳納米管纖維製成的無線天線， 性能堪比銅天線， 而重量卻只有1/20。 因為具有重量和柔性方面的優勢， 這種天線有望應用於航空航太領域和可穿戴電子設備。
案例四：美國伊利諾大學香檳分校的研究人員合成了一種超薄的碳納米管紡織品， 它具有高導電性以及比銅薄膜高50倍的韌性， 可應用於電子領域。
（圖片來源於：伊利諾大學）
創新
最近，在一篇發表於《材料與設計》（Materials and Design）雜誌的論文中，佛羅里達州立大學高性能材料研究所的工程師們與法國里昂國立應用科學學院的科學家們展開合作，詳細描述了使用“巴基紙”，製造高級系列運動感測器的工藝。這種工藝具有令人印象深刻的特性，而且節約成本。這種“巴基紙”指的是一種超薄、具有柔性、非常耐用的碳納米管。
技術
這種新型感測器結構將一條狹長的、7微米厚的巴基紙，與銀電極相結合，由普通的商用噴墨印表機列印。
結果製成了一種恰好完美的感測器：既不像普通的柔性金屬感測器那樣感覺遲鈍，也不像更加靈敏的半導體感測器那樣僵硬笨重。
這種可穿戴的巴基紙感測器結合了這些理想品質。它們是柔性的，而且可以流暢地感知細微的運動和應力。
DeGraff 表示：
“我們測量了感測器的應變係數，它代表了材料在拉伸或者彎曲時，其電阻改變了多少。我們的應變係數達到商用感測器8倍之高，比其他許多的碳納米管感測器都高75%。”
價值
這些新型的巴基紙感測器代表了對於現有工業標準的顯著提升。對於可靠地監測複雜結構例如人體來說，大多數的感測器要麼太粗糙，要麼太僵硬。高性能材料研究所的主任、佛羅里達農工大學與佛羅里達州立大學工程學院的教授 Richard Liang 表示：
“現有的技術不適合用於它的設計。對於感測器技術來說，你需要它是柔性、廉價、可擴展的。這項新技術具有多種用途，這種感測器的列印成本低。它是一個巨大的創新，代表了這條道路上的許多可能性。”
眼下，可印刷的巴基紙感測器的潛在應用已經超越了研究者的想像範圍。這種低調的設計可集成到床單中監測睡眠品質，集成到鞋子中監測步數、姿勢，集成到運動服中監測運動強度。
同時，研究人員也預測潛在的應用將超越可穿戴技術的範疇。在軟體機器人領域，這種材料將促進生產刺激回應、自我糾正的人造肌肉。
此外，可擴展的感測器代表了朝著長期預測的“物聯網”未來又邁出了重要一步。在物聯網時代，幾乎所有的個人電腦、設備、服裝、傢俱和電器都可以數位化連接在一起，在雲端自由地交流資訊。
這項研究的領導作者、博士研究生 Joshua DeGraff 表示：
“大多數的項目並沒有這麼多的應用。這種材料可用于結構健康監測、可穿戴技術以及各個領域。我感到非常興奮，它可以在日常生活中影響到大多數的人。”
未來
隨著可印刷的感測器技術繼續開發，研究人員希望在這種已經非常細的材料上進行改善，讓它可以集成到不會束手束腳的舒適性衣服中。
為了保證材料順應人體的可變曲線和裂縫，需要進一步測試這種複雜模型材料。
雖然這項技術目前還沒有達到它的黃金時間，但是極具前景的未來一直鼓舞著研究人員。Liang 表示：
“作為工程教授，我們想要看到我們在實驗室創造的東西變為成功的產品。我們目前還沒有達到，但這是重要的一步。消費者想要價廉物美，這種材料恰好可以提供。”
參考資料
【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
更多前沿技術和創新產品，請關注微信公眾號：IntelligentThings，或者聯繫作者個人微信：JohnZh1984
（圖片來源於：伊利諾大學）
創新
最近，在一篇發表於《材料與設計》（Materials and Design）雜誌的論文中，佛羅里達州立大學高性能材料研究所的工程師們與法國里昂國立應用科學學院的科學家們展開合作，詳細描述了使用“巴基紙”，製造高級系列運動感測器的工藝。這種工藝具有令人印象深刻的特性，而且節約成本。這種“巴基紙”指的是一種超薄、具有柔性、非常耐用的碳納米管。
技術
這種新型感測器結構將一條狹長的、7微米厚的巴基紙，與銀電極相結合，由普通的商用噴墨印表機列印。
結果製成了一種恰好完美的感測器：既不像普通的柔性金屬感測器那樣感覺遲鈍，也不像更加靈敏的半導體感測器那樣僵硬笨重。
這種可穿戴的巴基紙感測器結合了這些理想品質。它們是柔性的，而且可以流暢地感知細微的運動和應力。
DeGraff 表示：
“我們測量了感測器的應變係數，它代表了材料在拉伸或者彎曲時，其電阻改變了多少。我們的應變係數達到商用感測器8倍之高，比其他許多的碳納米管感測器都高75%。”
價值
這些新型的巴基紙感測器代表了對於現有工業標準的顯著提升。對於可靠地監測複雜結構例如人體來說，大多數的感測器要麼太粗糙，要麼太僵硬。高性能材料研究所的主任、佛羅里達農工大學與佛羅里達州立大學工程學院的教授 Richard Liang 表示：
“現有的技術不適合用於它的設計。對於感測器技術來說，你需要它是柔性、廉價、可擴展的。這項新技術具有多種用途，這種感測器的列印成本低。它是一個巨大的創新，代表了這條道路上的許多可能性。”
眼下，可印刷的巴基紙感測器的潛在應用已經超越了研究者的想像範圍。這種低調的設計可集成到床單中監測睡眠品質，集成到鞋子中監測步數、姿勢，集成到運動服中監測運動強度。
同時，研究人員也預測潛在的應用將超越可穿戴技術的範疇。在軟體機器人領域，這種材料將促進生產刺激回應、自我糾正的人造肌肉。
此外，可擴展的感測器代表了朝著長期預測的“物聯網”未來又邁出了重要一步。在物聯網時代，幾乎所有的個人電腦、設備、服裝、傢俱和電器都可以數位化連接在一起，在雲端自由地交流資訊。
這項研究的領導作者、博士研究生 Joshua DeGraff 表示：
“大多數的項目並沒有這麼多的應用。這種材料可用于結構健康監測、可穿戴技術以及各個領域。我感到非常興奮，它可以在日常生活中影響到大多數的人。”
未來
隨著可印刷的感測器技術繼續開發，研究人員希望在這種已經非常細的材料上進行改善，讓它可以集成到不會束手束腳的舒適性衣服中。
為了保證材料順應人體的可變曲線和裂縫，需要進一步測試這種複雜模型材料。
雖然這項技術目前還沒有達到它的黃金時間，但是極具前景的未來一直鼓舞著研究人員。Liang 表示：
“作為工程教授，我們想要看到我們在實驗室創造的東西變為成功的產品。我們目前還沒有達到，但這是重要的一步。消費者想要價廉物美，這種材料恰好可以提供。”
參考資料
【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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