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  隨著智能可穿戴設(shè)備的興起，人們致力于發(fā)展具有與人體皮膚相似感知功能的智能紡織品。然而，迄今為止，能夠感知外部危險、特異性識別且準(zhǔn)確定位人體手指觸摸的智能感知紡織品仍有待實現(xiàn)。

  為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，清華大學(xué)化學(xué)系張瑩瑩教授團(tuán)隊制備了具有優(yōu)異電學(xué)和力學(xué)性能的蠶絲基離子水凝膠(SIH)纖維，并基于此設(shè)計了一種智能感知紡織品，該紡織品能夠快速響應(yīng)外部危險，如火燒、水浸和銳利物劃傷，以保護(hù)人體/機(jī)器人免受傷害；同時，還設(shè)計了能夠特異性識別、可準(zhǔn)確定位人體手指觸摸的感知紡織品，使其可以用作柔性的可穿戴人機(jī)交互界面，以輔助人們便捷地控制遠(yuǎn)程終端。通過連續(xù)濕法紡絲和溶劑交換制備的SIH纖維，由于其內(nèi)部的半結(jié)晶和高取向結(jié)構(gòu)、離子液體的加入，而具有出色的斷裂強(qiáng)度(55 MPa)和延展性(530%)，以及穩(wěn)定且優(yōu)異的導(dǎo)電性(0.45 S·m^–1)。基于此纖維設(shè)計的織物在智能可穿戴設(shè)備與柔性人機(jī)交互界面等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)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(fā)表在《Nature Communications》上（Nat Commun 2024，15，3289）。文章第一作者是清華大學(xué)陸浩杰博士。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。

圖 1：SIH 纖維的制備過程、形貌、可編織性與柔性電學(xué)應(yīng)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(xù)濕法紡絲方法制備再生蠶絲纖維。將該纖維通過含有離子液體([Emim]BF₄)、甘油和水的溶液中以進(jìn)行溶劑交換，制備了蠶絲基離子水凝膠(SIH)纖維。該纖維展現(xiàn)出良好的柔性、透明性和可編織性。并且基于良好的導(dǎo)電性，可以用作電致發(fā)光器件的柔性透明電極。

圖2：SIH纖維的組成成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。

  通過熱重分析、能量色散光譜(EDS)與紅外光譜證實了[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(huán)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片證明了SIH纖維的半結(jié)晶結(jié)構(gòu)與高取向結(jié)構(gòu)。

 圖 3：SIH 纖維的力學(xué)和電學(xué)性能。

  SIH纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)與電學(xué)性能。其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別達(dá)到4 MPa和530%。而進(jìn)一步的牽伸處理(溶劑交換前)可以將其拉伸強(qiáng)度提高至55 MPa，比之前報道的水凝膠纖維(＜10 MPa)高出數(shù)倍。其離子電導(dǎo)率可達(dá)0.45 S·m^–1，并且在放置3周后或在各種機(jī)械刺激（按壓、彎曲、拉伸）下能夠保持穩(wěn)定。

圖 4：SIH纖維對火、水和銳利物的電學(xué)響應(yīng)及其機(jī)理，展示了在識別危險方面的潛在應(yīng)用。

  作者探索了SIH纖維在危險感知智能紡織品中的潛在應(yīng)用。通過將SIH纖維集成到商業(yè)手套中，設(shè)計了一種用于仿生機(jī)械手的智能防護(hù)手套。當(dāng)暴露在危險條件(火、水和銳利物)下時，智能手套會產(chǎn)生特征的電學(xué)信號，以準(zhǔn)確地識別這些危險。

圖 5：SIH 纖維基感知紡織品用于高精度人機(jī)交互。

  進(jìn)一步地，作者使用SIH纖維設(shè)計了可以特異性識別、準(zhǔn)確定位人手觸摸的纖維與織物。首先制備了SIH纖維基織物：將單根SIH纖維集成到商業(yè)織物上，或?qū)⑵渚幙棾善郊y織物。通過電路系統(tǒng)設(shè)計，可以特異性識別和準(zhǔn)確定位人手觸摸的位點或區(qū)域，這使其不同于對任何物體接觸/按壓都產(chǎn)生響應(yīng)的壓阻型或電容型傳感織物。當(dāng)人們穿戴由SIH纖維制成的織物時，可以通過對其進(jìn)行觸摸以控制遠(yuǎn)程終端。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47665-y