隨著5G時代的到來, 物聯(lián)網(wǎng)也逐漸的走進了人們的日常生活當中。人機交互界面，作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，也引起了學術(shù)和工業(yè)界的充分關(guān)注。傳統(tǒng)的人機界面是由通過在人身體上裝配堅硬且笨重的機械部件來操控機器完成作業(yè)。然而，部分患有重癥肌無力的患者無法佩戴傳統(tǒng)的人機界面來完成一系列的操作。為了解決這一問題，最近英國曼徹斯特大學劉旭慶博士團隊利用無線通訊技術(shù)來串聯(lián)輕便的可穿戴手套和機械手臂，成功的實現(xiàn)了柔性人機界面的突破。
集成可穿戴電子設(shè)備的智能人機界面對于促進物聯(lián)網(wǎng)至關(guān)重要。雙包覆的彈性紗線由于具有良好的機械性能 （超高的拉伸率）可以被視為完美的傳感器基底。此項工作創(chuàng)造性的引入了姜黃素分子附著在彈性紗線的外包圍尼龍層上來具有高活性的催化分子，為隨后無電沉積的金屬顆粒提供了良好的平臺（圖一）。由于彈性紗線的內(nèi)芯仍然處于未覆蓋金屬涂層的原因，用這種方法所得的導電紗線同時具有高電導率（0.2 Ω/cm）和超輕的（1.5 mg/cm）的特性，是一種理想的可拉伸傳感器材料。
圖一：導電彈性紗線的制作流程和實物照片。
通過對單根紗線的力學性能和電學性能測試，他們發(fā)現(xiàn)了各向同性沉積的結(jié)構(gòu)紗線可以承受較高的單軸伸長率（>> 1100％），并且在50％應(yīng)變下經(jīng)過5000次連續(xù)拉伸-釋放循環(huán)后仍保持低電阻率。除了螺旋加載結(jié)構(gòu)帶來的高靈活性外，還可以在外力作用下使用金屬涂層導電層來實現(xiàn)精確的應(yīng)變傳感功能。更重要的是在力學分析的基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)了應(yīng)變感應(yīng)響應(yīng)的大小取決于結(jié)構(gòu)變量，并且與實驗結(jié)果吻合良好，展示了界面增強紗線可以作為可穿戴人機界面的潛力（圖二）。
圖二：導電彈性纖維的力學性能和電學性能的測試以及理論模型。
基于以上討論導電彈性纖維的出色電學和力學的應(yīng)變基礎(chǔ)上，他們利用ECOFLEX將所制得的導電纖維傳感器材料黏附在棉手套的內(nèi)側(cè)并利用電路控制系進行信號的發(fā)射和機械手臂的收集來完成人機界面的功能。單根內(nèi)置傳感器的重量為0.1克，整個智能手套的重量僅為8.5克；诩喚的傳感器感知到人的手指的彎曲/松開運動時，由于附著/拉伸的紗線被拉伸/釋放，因此產(chǎn)生了定量脈沖。在接收電路中，所有五個數(shù)字電阻值均由無線通信模塊接收，然后將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為五個數(shù)字伺服角度信號。最后，五個數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字伺服信號轉(zhuǎn)換為針對不同機械手手指的模擬伺服信號。因此，機械手根據(jù)各個模擬角度輸入將其指定的手指移動到確定的位置，從而使機械手準確地反映了操作員的實際手勢。利用同樣的原理，這套智能可穿戴手套也可以用來控制燈泡的顏色（圖三）。
圖三：智能手套系統(tǒng)的搭建和在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。
相關(guān)工作發(fā)表在 Advanced Science (Ultraelastic Yarns from Curcumin‐Assisted ELD toward Wearable Human–Machine Interface Textiles)。論文第一作者是祝創(chuàng)，現(xiàn)為曼徹斯特大學博士四年級學生，第二作者為美國華盛頓大學的Ruohao Li，共同通訊作者為來自英國諾桑比亞大學的Dr. Ben Bin Xu和英國曼徹斯特大學的劉旭慶博士。
英國曼徹斯特大學有著悠久的紡織學科歷史，是紡織學科的發(fā)源地。曼徹斯特大學劉旭慶博士課題組近幾年致力于傳統(tǒng)高分子纖維的表面分子設(shè)計，創(chuàng)新地研發(fā)了多種新型功能性面料和可穿戴設(shè)備，發(fā)表了如Nano Energy, 2020, 104926, ACS Nano 2020, 14, 7, 8191–8201, ACS Nano 2020, 14, 1, 559–567, Nano Lett. 2019, 19, 9, 6592–6599, Small 2019, 15, 1902440等系列研究工作。課題組還開展紡織行業(yè)污水處理，廢舊織物的可回收利用等研究領(lǐng)域。其課題組的一些研究成果被The Economist，Nursing Times廣泛報道，并和全球范圍的產(chǎn)業(yè)界展開了深入的合作。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202002009
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