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  機(jī)械適應(yīng)性強(qiáng)、便攜、質(zhì)輕且可縫制、耐久使用、可水洗和穿戴舒適的纖維電子產(chǎn)品，已逐漸成為新興生物集成設(shè)備的理想選擇。特別是柔性、可形變、持久耐用，透氣和易制備的纖維織物產(chǎn)品，幾十年來一直是可穿戴電子織物和電子皮膚領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著制備工藝的快速發(fā)展，可穿戴織物電子產(chǎn)品在人工智能、人機(jī)交互、大數(shù)據(jù)管理、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域扮演著越來越重要的作用。但就現(xiàn)有技術(shù)而言，開發(fā)出可以模擬生物體感知功能，同時(shí)超越生物感知能力的織物傳感器，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

  武培怡教授課題組近年來報(bào)道了一系列用水凝膠和彈性體材料來模擬生物皮膚和組織的力學(xué)、傳感、和刺激響應(yīng)特性：實(shí)現(xiàn)了離子皮膚的多功能性制備(Adv. Mater. 2017, 29, 1700321; Nat. Commun. 2018, 9, 1134; ACS Nano, 2018, 12, 12860-12868; Mater. Horiz. 2019, 6, 538-545; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908018)。同時(shí)，課題組成員近幾年推成出新，努力進(jìn)取，將多功能傳感能力積極拓展到溶劑識(shí)別(Nat. Commun. 2019, 10, 3429)和信息智能加密和傳輸、危險(xiǎn)預(yù)警等應(yīng)用領(lǐng)域 (Adv. Mater. 2021, 33, 2008479; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 5, 6731–6738)。

  近期，武培怡教授團(tuán)隊(duì)利用濕法紡絲技術(shù)制備了一種具有多功能感知能力的Kevlar/MXene (KM)智能可穿戴纖維織物。該纖維織物可被多次清洗和縫織。依托相應(yīng)的智能口罩，可以對(duì)人體呼吸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而以高精度和便攜性檢測(cè)潛在的健康問題，為疾病判斷和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診療提供了重要參考。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種溫度響應(yīng)的智能纖維織物手套，通過預(yù)知周圍潛在危險(xiǎn)來防止人體受到傷害。此外，這種智能感知系統(tǒng)可賦予軟體機(jī)器人對(duì)多種常見的液體有機(jī)分子進(jìn)行基本特性判斷和初步識(shí)別的能力，幫助人們對(duì)未知液體進(jìn)行快速識(shí)別。最后，作者通過規(guī)律性按壓具有超快響應(yīng) (90 ms)和恢復(fù)(110 ms)能力的KM纖維信號(hào)發(fā)射器，可對(duì)文字信息進(jìn)行加密，結(jié)合無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)在線傳輸和保存。相關(guān)論文以“Scalable Fabrication of Kevlar/Ti₃C₂T_x MXene Intelligent Wearable Fabrics with Multiple Sensory Capabilities”為題發(fā)表在納米材料領(lǐng)域國(guó)際頂尖期刊ACS Nano上。

圖1. MXene片層制備、利用三氟乙酸(TFA)和甲基磺酸(MSA)體積比1:1的混酸體系對(duì)Kevlar纖維進(jìn)行剝離，再在醋酸凝固浴中濕法紡絲制備形貌規(guī)整的KM纖維。

圖2. KM纖維性能表征：XRD，F(xiàn)TIR，TGA，力學(xué)拉伸，電導(dǎo)率測(cè)試。

  通過調(diào)配Kevlar和MXene的質(zhì)量比例可以制備耐高溫、力學(xué)性能和導(dǎo)電性能可控的KM纖維，隨著MXene含量的增加，KM纖維熱穩(wěn)定性得以提升；同時(shí)纖維斷裂伸長(zhǎng)率降低、楊氏模量增加；電導(dǎo)率也逐步提高，通過置換回路中部分導(dǎo)線也足以點(diǎn)亮小燈泡。

圖3. KM纖維可編織性、溫度敏感響應(yīng)特性：智能口罩和智能手套的構(gòu)建。

  由于導(dǎo)電成份的MXene引入，賦予KM復(fù)合纖維溫度敏感特性，隨著溫度的升高，KM纖維電阻下降，可以對(duì)呼吸作用產(chǎn)生的溫度變化進(jìn)行敏銳地捕捉，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸作用的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，將KM纖維結(jié)合到手套上可制備對(duì)外界環(huán)境靈敏感知的智能手套，在探測(cè)到溫度升高時(shí)(表現(xiàn)為電阻下降)，可快速提醒佩戴者外界溫度的急劇變化，防止機(jī)體受到損傷。

圖4.  基于KM纖維壓力敏感響應(yīng)特性，可以編碼Morse code用于信息的加密傳輸。

  此外，所構(gòu)建的纖維傳感器憑借快速的信號(hào)響應(yīng)和恢復(fù)、信號(hào)的超高穩(wěn)定性，通過手指規(guī)律性按壓纖維傳感器，控制按壓時(shí)間可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息進(jìn)行加密和無(wú)線傳輸。這種方法保證了信息加密的安全性，同時(shí)在一定程度上可以防止重要信息的泄露，進(jìn)一步結(jié)合無(wú)線傳輸技術(shù)可以遠(yuǎn)程進(jìn)行求救信號(hào)的發(fā)送。

圖5. KM纖維傳感體系對(duì)多種有機(jī)溶劑的識(shí)別。

  通過將KM纖維編織成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用不同揮發(fā)速率的溶劑滴落在纖維表面，由于受到重力作用，溶劑在滴落后會(huì)使得纖維體系電阻產(chǎn)生變化。接著，極易揮發(fā)的溶劑如丙酮、正己烷和乙醚等由于揮發(fā)速率較快，對(duì)纖維傳感器的電阻的影響可以快速恢復(fù)到原有水平；而難揮發(fā)的溶劑如水和DMF等則會(huì)對(duì)纖維電阻產(chǎn)生較為持久的影響。利用這些特點(diǎn)，可以輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)多種常見溶劑進(jìn)行區(qū)分和識(shí)別。

  此項(xiàng)研究工作利用濕法紡絲技術(shù)制備了Kevlar和MXene復(fù)合纖維，該纖維織物由于易制備、耐用、柔性、可清洗以及舒適的穿戴性而在多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如用于人體呼吸狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；對(duì)外界高溫環(huán)境進(jìn)行預(yù)判并做出風(fēng)險(xiǎn)提示；以及對(duì)未知有機(jī)溶劑進(jìn)行識(shí)別；此外基于Morse code原則可實(shí)現(xiàn)對(duì)重要信息進(jìn)行加密、保存和傳輸。這種先進(jìn)的纖維傳感器設(shè)計(jì)理念為研究者們?cè)谥悄芸纱┐鱾鞲衅髦苽洳牧线x擇上提供了一種新思路，拓寬了傳感器在個(gè)性化的人體健康檢測(cè)、危險(xiǎn)判斷、和信息加密傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用。該工作提出的KM纖維織物有望為下一代可穿戴柔性織物電子產(chǎn)品提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

  該課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51733003)的資助與支持。復(fù)旦大學(xué)博士生程寶昌為文章第一作者，通訊作者為武培怡教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c00749