随着智能可穿戴裝置的興起，人們緻力于發展具有與人體皮膚相似感覺功能的智能紡織品。然而，迄今為止，能夠感覺外部危險、特異性識别且準确定位人體手指觸摸的智能感覺紡織品仍有待實作。
為了實作這一目标，清華大學化學系張瑩瑩教授團隊制備了具有優異力學和電學性能的蠶絲基離子水凝膠(SIH)纖維，并基于此設計了一種智能感覺紡織品，該紡織品能夠快速響應外部危險，如火燒、水浸和銳利物劃傷，以保護人體/機器人免受傷害；同時，還設計了能夠特異性識别、可準确定位人體手指觸摸的感覺紡織品，使其可以用作柔性的可穿戴人機互動界面，以輔助人們便捷地控制遠端終端。通過連續濕法紡絲和溶劑交換制備的SIH纖維，由于其内部的半結晶、高取向結構與離子液體的加入，而具有出色的斷裂強度(55 MPa)和延展性(530%)，以及穩定且優異的導電性(0.45 S·m–1)。基于此纖維設計的織物在智能可穿戴裝置與柔性人機互動界面等領域展現出重要的應用潛力。4月17日，該研究以題為“Intelligent perceptual textiles based on ionic-conductive and strong silk fibers”的論文發表在《Nature Communications》上。
【濕法紡絲+溶劑交換法制備SIH纖維】
圖 1：SIH 纖維的制備過程、形貌、可編織性與柔性電學應用。
作者利用從蠶繭中提取的絲素蛋白制備了紡絲原液，并采用連續濕法紡絲方法制備了再生蠶絲纖維。将該纖維通過含有離子液體([Emim]BF4)、甘油和水的溶液中以進行溶劑交換，制備了蠶絲基離子水凝膠(SIH)纖維。該纖維展現出良好的柔性、透明性和可編織性。并且基于良好的導電性，可以用作電緻發光器件的柔性透明電極。
【SIH纖維的成分、結構表征】
圖2：SIH纖維的組成成分和内部結構分析。
通過熱重分析、能量色散光譜(EDS)與紅外光譜證明了[Emim]BF4均勻地分布于SIH纖維中。熱重曲線中位于350℃的重量損失歸因于[Emim]BF4。EDS圖譜中的元素F歸屬于[Emim]BF4。紅外光譜中位于1169 cm–1處的峰可歸因于[Emim]+環中C−N−C的不對稱振動。與此同時，紅外光譜與偏光顯微鏡圖檔證明了SIH纖維的半結晶結構與高取向結構。
【SIH纖維的力學、電學性能】
圖 3：SIH 纖維的力學和電學性能。
SIH纖維表現出優異的力學與電學性能。其拉伸強度和斷裂伸長率分别達到4 MPa和530%。而進一步的牽伸處理(溶劑交換前)可以将其拉伸強度提高至55 MPa，比之前報道的水凝膠纖維(＜10 MPa)高出數倍。其離子電導率可達0.45 S·m–1，并且在放置3周後或在各種機械刺激（按壓、彎曲、拉伸）下能夠保持穩定。
【SIH纖維對危險信号的特異性識别】
圖 4：SIH纖維對火、水和銳利物的電學響應及其機理，展示了在識别危險方面的潛在應用。
作者探索了SIH纖維在危險感覺智能紡織品中的潛在應用。通過将SIH纖維內建到商業手套中，設計了一種用于仿生機械手的智能防護手套。當暴露在危險條件(火、水和銳利物)下時，智能手套會産生特征的電學信号，以準确地識别這些危險。
【SIH纖維基織物的觸摸感覺應用】
圖 5：SIH 纖維基感覺紡織品用于高精度人機互動。
進一步地，作者使用SIH纖維設計了可以特異性識别、準确定位人手觸摸的纖維與織物。首先制備了SIH纖維基織物：将單根SIH纖維內建到商業織物上，或将其編織成平紋織物。通過電路系統設計，可以特異性識别和準确定位人手觸摸的位點或區域，這使其不同于對任何物體接觸/按壓都産生響應的壓阻型或電容型傳感織物。當人們穿戴由SIH纖維制成的織物時，可以通過對其進行觸摸以控制遠端終端。
總結：作者報道了一種強韌的離子導電蠶絲纖維，并展示了其如何被巧妙地應用在設計智能感覺紡織品上。并用于設計與制備了智能感覺紡織品，這些紡織品不僅能快速識别外部威脅（如火燒、水浸和銳利物劃傷），還能特異性識别并精确定位人類手指的觸摸動作。其應用場景包括智能感覺防護手套和高精度的柔性人機互動界面。這項研究進一步展示了天然蠶絲材料在智能穿戴領域的巨大潛力，并且為下一代智能可穿戴裝置和柔性智能紡織品的設計與制備貢獻了創新的材料和方法。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47665-y
來源：高分子科學前沿