可拉伸十倍的液態金屬纖維為服裝帶來運動感知與反饋功能

洛桑聯邦理工學院研發出在拉伸十倍時仍保持導電性的液態金屬纖維，為智能可穿戴設備開辟新道路。

在可穿戴電子領域的重大飛躍中，洛桑聯邦理工學院的研究人員創造出一種基于纖維的電子傳感器，即使拉伸至原始長度十倍以上仍能完全正常工作。

這一突破可能改變智能服裝、物理康復設備和軟體機器人的未來。

其中的秘密成分？液態金屬。

但這并非你想象中那種危險的金屬。在洛桑聯邦理工學院工程學院的光子材料與纖維器件實驗室中，"液態金屬"指的是一種安全、柔韌的銦鎵混合物，這是一種無毒合金，在室溫下保持液態，并具有優異的導電性。

挑戰在于加工

然而，問題在于如何將這種合金轉化成能夠彎曲、拉伸且仍能可靠導電的材料。

"液態金屬極難加工，"光子材料與纖維器件實驗室主任法比安·索蘭解釋道，并補充說，"要生產出兼具高穩定性導電性和拉伸性的電子纖維尤其困難。"

洛桑聯邦理工學院的研究團隊現已利用熱拉法解決了這一難題，這是一種傳統上用于制造光纖的技術。

"我們將熱拉法集成到一個極大簡化的流程中，用于生產具有精細定制電子特性的纖維傳感器，這使得它們成為運動和健康監測應用領域智能紡織品的理想候選材料，"索蘭表示。

簡易、靈敏、可拉伸

該工藝始于一個"預制棒"，這是電子纖維的放大版本，其中包含以3D模式精心排列的液態金屬組件。

然后，這個預制棒被加熱并拉伸，很像熔化的塑料，從而生產出保留同樣復雜內部結構的細纖維。

據該研究的第一作者、博士生斯特拉·拉佩魯薩茲介紹，這種3D模式是突破的關鍵。它使研究人員能夠定義單根纖維的哪些區域具有電活性或絕緣性。

"當液態金屬與柔軟的彈性體基質混合時，會形成許多小液滴，"她解釋道。"加熱和拉伸預制棒的過程會破碎這些液滴并激活液態金屬的導電性。這意味著我們可以通過控制哪些區域被激活，來精細調整單根纖維的功能。"

性能卓越

測試表明，這些纖維即使在拉伸超過十倍時仍保持高靈敏度，其性能優于那些在形變時常會喪失電性能的傳統可拉伸傳感器。

在導電性、彈性和簡易加工性之間取得的這種平衡，使得洛桑聯邦理工學院的方法對可穿戴應用領域尤其具有吸引力。

智能護膝應用示范

為了展示其潛力，研究團隊將這種纖維嵌入一個柔軟的護膝中，該護膝能夠追蹤佩戴者的運動。
在受試者行走、跑步、下蹲和跳躍時，該護膝成功監測了關節彎曲，甚至能精確重建受試者的跑步步態。

"得益于其易于集成的特性，我們的纖維可以輕松用于監測其他關節（如腳踝、肩部或手腕）的運動并檢測異常，"索蘭說。

他補充道，可擴展性是團隊接下來的工作重點。

"傳統的電子設備可能過于脆弱或僵硬，難以集成到紡織品中，但我們的纖維通過足夠的規模化，可以集成到數米甚至數千米的織物中。這種織物隨后可用于生產可穿戴設備、軟質假肢或機器人肢體的傳感器。"

該項研究成果已發表在《自然·電子學》期刊上。

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