把數百億碳納米管穿身上!這款T恤能測心電圖,可承受千次以上形變| 專訪@陀彌天山 紫竹林寺*彌勒天使團願|PChome 個人新聞台
2021-09-03 19:32:54| 人氣38| 回應0 | 上一篇 | 下一篇
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把數百億碳納米管穿身上!這款T恤能測心電圖,可承受千次以上形變| 專訪


「以前全世界都解決不好的一個問題,有望被此次成果解決。」香港理工大學智能可穿戴系統研究院院長、紡織科技講座教授陶肖明,認為萊斯大學團隊最新研發的碳納米管線襯衫值得肯定。



圖 | 碳納米管線襯衫(來源:萊斯大學)

她告訴 DeepTech,自己幾年前就了解到該碳納米管線團團隊正在做的事。




而在最近的《披荊斬棘的哥哥》節目中,哥哥們舞蹈訓練強度很大,但有一位藝人穿着智能襯衫,這讓他能更輕鬆地完成訓練。可以說,智能襯衫正在逐漸走入尋常百姓家。

而此次萊斯大學團隊,把碳納米管線做成電極和信號線放置到襯衫中,它不僅能檢測心率,還能連續記錄用戶的心電圖。




在此前同類服裝中,一般使用金屬導線,比如不鏽鋼纖維、或者直接在聚酯或聚酰胺纖維上鍍一層金屬。此類方法存在的問題是,衣服多次出汗後,會讓金屬氧化進而降低導電性能。另外金屬與皮膚直接接觸,有可能發生敏感等。




當前,最先進的穿戴式心臟監測技術,使用的是可傳導的聚合物肩帶,它的厚度很大,而且必須穿在運動服下。



(來源:萊斯大學)

而本次襯衫的誕生,可實現「一魚兩吃」,不僅能防寒蔽體、還能檢測健康指標,用戶無需額外花錢購智能手錶。



(來源:萊斯大學)

由於碳納米管線很柔軟,可像棉線一樣用機器縫製成織物,因此研究人員把導電碳納米管線縫入運動服中,即可執行相關功能。

這些纖維採用鋸齒形針腳圖案,因此導線在拉伸的同時不會遭到破壞。而這些鋸齒形圖案也可根據襯衫、或其他面料的拉伸程度進行調整。



(來源:萊斯大學)

不過製備出能縫進衣服的碳納米管線,也並非一帆風順。最初的線大約有 22 微米寬,這太窄了縫紉機根本無法處理。後來,該團隊製備出一種可縫紉的線,每束有 7 根碳納米管線,集合三束後即可編織成與普通縫紉線大致相同的尺寸。

陶肖明說,亞洲人的頭髮大概是直徑 70 微米,此次的單根碳納米管線只有 22 微米,因此大概只有不到頭髮直徑的三分之一。它的導電性能很好,基本可以取代金屬來做信號線。拉伸強度滿足要求,可彎折。最重要的優點是電化學惰性,汗水對其不起作用。

這些纖維與金屬線一樣具有導電性,但可以和衣服一起進行清洗,碳納米管具有和紡織線一樣的機械行為,不會讓人感覺這是一根金屬線,因此穿起來沒有不適感。並且,當用戶做運動時,管線斷裂的可能性也比較低。

反覆被洗衣機清洗和拉伸之後,也不會導致信號降解,這說明該襯衫能和傳統服裝製造技術相結合。

該團隊表示,在實驗中,就收集數據來說,碳納米管襯衫比進行實時測量的胸帶監視器更好。當與商用醫療電極監測器配合使用時,碳納米管線襯衫的心電圖略好一些。


通過相關實驗,測量心電圖

為了顯示測量心電圖的信號,該團隊將碳納米管線縫在可拉伸的紡織品中,形成了可以戴在手腕上的電極。這些紡織品被綁在手腕上,以測量傳感器的阻抗和心電圖信號。



(來源:萊斯大學)

然後,在手臂肘窩中放置一個 3M 紅點接地電極,另外放置兩個 3M 紅點電極,以便並排比較獲得的信號。下圖顯示了碳納米管線電極和商業電極的整體皮膚電極阻抗。



(來源:萊斯大學)

對比來看,增加碳納米管線電極的尺寸變化並不會顯著降低阻抗,並且碳納米管線電極也不會對傳感器性能產生負面影響。

實驗中,該團隊將一個碳納米管線電極放置在手腕和前臂上,並在肘部附近放置一個商業接地電極。然後,受試者用握緊拳頭抓住了他前臂的肌肉。

下圖顯示了碳納米管線電極收集的肌電圖,其中白色箭頭表示受試者與肌肉接觸,黑色箭頭表示受試者放鬆肌肉。肌肉的激活電位與基線信號明顯不同,這表明碳納米管線電極可作為無創肌電電極。



(來源:萊斯大學)

在所有實驗中,碳納米管線電極的信噪比都與商業電極相當。將碳納米管線電極拉伸到紡織品的最大應變(∼60%)再釋放,連續 1000 次以上。重複多次後,碳納米管線電極的信噪比沒有明顯降低。

在該研究中,碳納米管線被縫在運動襯衫的胸部,以展示電子紡織品的功能。在下圖中,該團隊將兩個碳納米管線電極連接到一個商業心率監測器(PolarH1035)的藍牙發射器上,該發射器能和佩戴在用戶胸部的聚合物帶一起工作。這時研究人員把電極縫在襯衫內側肋骨區域周圍,以便與皮膚接觸。



(來源:萊斯大學)

此外,碳納米管線被縫在襯衫的外側,從胸部出發的電極可連接到脖子後面。在襯衫的頸部,碳納米管線線程連接到藍牙發射器,藍牙發射器在受試者跑步和行走時,均能被發送到智能手機的心率數據。

下圖顯示了同時對比碳納米管線電極運動衫和商用電極從動態心電圖監測器獲得的心電圖信號。



(來源:萊斯大學)

這些結果表明,碳納米管線傳感器和電線無縫集成到現有的系統中,此外作為電極和數據傳輸線,它允許傳輸電子設備放置在身體的任何地方,以優化用戶的舒適度。

這些纖維不僅能和佩戴者的皮膚保持穩定的電接觸,還可作為電極連接藍牙發射器等電子設備,也能將數據中繼到智能手機、或連接到可放在口袋裡的監視器上。


潛在用途還包括人機界面等

其他潛在用途包括汽車或軟機器人的人機界面,健康監測器和軍裝中的防彈保護。

由於具備導電性,並且能和皮膚進行良好接觸,如此優秀的生物相容性,也讓碳納米管線成為可穿戴設備的天然組件。

並且,可通過直接分解的方式,從碳氫化合物中提取碳納米管線,這一過程也可產生清潔的氫氣。

目前,穿這款襯衫時必須緊貼胸部,未來研究人員將專注於使用更密集的碳納米管線片,以便有更多的表面積與皮膚接觸。



(來源:萊斯大學)

8 月 30 日相關論文以《電子服裝用可清洗、可焊縫、全碳電極和信號線》(Washable, Sewable, All-Carbon Electrodes and Signal Wires for Electronic Clothing)為題發表在 Nano Letters 上。

浙江大學光電學院李強教授告訴 DeepTech,該成果的亮點是使用標準的縫紉方法,將基於碳納米管線的電子器件(包括電極和傳輸線)和織物進行集成,實現柔軟、可穿戴傳感器,用於無創和連續的人體健康監測。相比傳統的金屬線,碳納米管線不只具有很強的導電性,而且與皮膚和組織有低接觸阻抗和高生物兼容性,同時具備柔軟靈活特點。

事實上,最早於 2013 年,該團隊引入了碳納米管纖維,每根纖維都有數百億個納米管。此前,研究人員將其用於修復受損心臟的旁路,並將其用於大腦電接口、人工耳蝸、以及汽車和航空航天的天線等。



(來源:萊斯大學)

總之,碳納米管線是可穿戴紡織品的理想選擇;它柔軟靈活、可機洗,並且很容易融入服裝或紡織品。李強也告訴 DeepTech,可穿戴電子產品是一個前景廣闊的產業,目前可穿戴電子產品(包括傳感器和傳輸線)很難集成到織物上,因此當下主要作為織物配件存在。而此次萊斯大學團隊的成果,為碳基材料用於可穿戴傳感、監測和診斷器件,提供了新思路。




圖 | 碳納米管紡成紗線(來源:CSIRO on Wikimedia Commons)

此外,以往的研究表明,碳納米管線在多個生物尺度上是無毒的,它和多種細胞都具有良好的細胞相容性,對免疫細胞或血液參數沒有影響。

陶肖明告訴 DeepTeh,將來萊斯大學團隊一旦攻克安全問題,就可以落地進行量產。當前的智能手錶雖然可以測心率,但是測不出來準確的心電圖,有些顯示的心電圖經過了大數據修正。另外她認為,該襯衫也可以考慮緩解運動後的疲勞。比如體育鍛煉以後往往很勞累,那麼讓襯衫中的碳納米管纖維對身體產生微電流刺激,還可以緩解疲勞。(DeepTech深科技)

台長: 聖天使

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