从液态金属到电子纤维的创新：打造高灵敏度的运动监测技术

来自 实验室仪器网

一种新型光纤传感器即使拉伸到原始长度的10倍以上，也能保持高灵敏度，显示出在智能纺织品、身体康复设备和软体机器人等领域的潜在应用。

“液态金属”一词可能会让人联想到危险的东西，例如汞或钢水。

然而，在洛桑联邦理工学院的光子材料和光纤器件实验室 （FIMAP），它指的是铟和镓的组合，无毒，在室温下保持液态，在用于可穿戴设备和机器人传感器的电子纤维的进步方面具有巨大潜力。该团队的研究最近发表在《自然电子学》上。

不幸的是，正如 FIMAP 负责人 Fabien Sorin 所解释的那样，液态金属面临着重大的加工挑战，特别是在生产同时实现高稳定导电性以及拉伸性的电子纤维方面。然而，该实验室通过一种称为热拉拔的方法成功解决了这个问题，这种技术通常用于制造光纤。

我们已将热拉伸集成到一个大大简化的工艺中，以生产具有精细定制电子特性的光纤传感器，使其成为运动和健康监测应用智能纺织品的有前途的候选者。

该团队采用该方法创建了一种智能护膝，能够跟踪用户在身体活动期间的运动和关节功能。热拉伸过程从创建预成型件（电子光纤的宏观表示）开始，该预成型件由精心组织成三维配置的液态金属部件组成。

瓶坯像熔化的塑料一样经过加热和伸长，从而产生直径从几百微米到毫米不等的纤维，从而保留相同的三维图案。

博士生表示，这种模式对团队的创新至关重要，因为它使研究人员能够调节单根光纤的哪些部分是有源的（导电的）还是无活性的（绝缘的）。

当液态金属与柔软的弹性体基体混合时，它会形成许多小液滴。加热和拉伸瓶坯的过程会破坏这些液滴并激活液态金属。这意味着我们可以通过控制哪些区域通过瓶坯拉伸过程引起的剪切应力变得活跃来微调单根纤维的功能。

研究表明，该团队开发的纤维即使拉伸到其初始长度的10倍以上，也能保持出色的灵敏度。因此，与替代方法相比，该技术具有相当大的优势，替代方法发现在电气性能、拉伸性和易于加工之间实现平衡具有挑战性。

作为他们概念的演示，研究人员成功地将他们的电子纤维整合到灵活的护膝中，并记录了该设备在参与者行走、跑步、蹲下和跳跃时的功能。该支架始终跟踪用户膝盖的弯曲角度，并能够在跑步时精确重建他们的步态。

传统的电子设备可能太脆弱或太硬，无法集成到纺织品中，但我们的纤维可以通过足够的放大集成到数米甚至数公里的织物中，这就是下一步正在研究的。然后，这种织物可用于生产可穿戴设备、软假肢或机器人肢体传感器。

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