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  現(xiàn)代電子設(shè)備日益多樣化和復(fù)雜的需求推動(dòng)了可拉伸和可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展。其中，基于織物的可穿戴電子產(chǎn)品因其具有質(zhì)輕、良好的柔韌性和生物相容性、可水洗性及內(nèi)在的保暖舒適特性而備受人們青睞。然而，目前以織物為基礎(chǔ)的電子產(chǎn)品局限于單一的電信號(hào)輸入/輸出，需要用到外部的電子儀器對(duì)得到的電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因而外界刺激并不能直接被人眼可視化，限制了它在可視化智能人機(jī)交互中的多樣化應(yīng)用；并且電信號(hào)容易在外界干擾下（溫度和濕度的變化）呈現(xiàn)出不規(guī)律的波動(dòng)，從而在監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)造成測(cè)量誤差。

  有鑒于此，大連理工大學(xué)牛文斌、張淑芬教授等和加州大學(xué)洛杉磯分校的材料科學(xué)與工程系賀曦敏教授合作，將超分子光子彈性體和具有多層纖維結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電滌綸織物結(jié)合起來，合作開發(fā)設(shè)計(jì)并制備了一系列具有快速和持久的光電雙響應(yīng)的交互力致變色電子織物（MET）傳感器，并進(jìn)一步展示了它們?cè)诳梢暬纱┐麟娮赢a(chǎn)品中的應(yīng)用。

圖1 MET傳感器的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用示意圖

  首先，他們通過聚四氫呋喃（PTMG）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）和1,5-戊二醇（PDO）之間的縮聚反應(yīng)合成了一種氫鍵交聯(lián)的新型超分子彈性體（PTIP）。由于微相分離結(jié)構(gòu)的存在，PTIP具有較大的拉伸應(yīng)變（>1250%）、機(jī)械強(qiáng)度（2.0 MPa）、高韌性（17.6 kJ m^-3）和良好的機(jī)械回彈性能。其次，利用光子帶隙和氫鍵的協(xié)同作用，在超分子彈性體中嵌入三維光子晶體結(jié)構(gòu)，制備了一種具有快速和可逆的力致變色特性的新型的超分子光子彈性體（PE）。另外，通過原子層沉積（ALD）在滌綸纖維表面化學(xué)共軸生長(zhǎng)一層導(dǎo)電透明的Al摻雜ZnO（AZO） 薄膜，得到了一種具有分層纖維結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電滌綸織物（CPT）。合成的CPT具有優(yōu)良的機(jī)電性能的獨(dú)特的負(fù)電阻響應(yīng)。

圖2 （a）PTIP超分子彈性體的合成及結(jié)構(gòu)；（b）MET傳感器的制備過程示意圖

  基于上述PE和CPT各自優(yōu)異的光電特性，他們將二者耦合制備出一種新型的MET織物傳感器。得益于其獨(dú)特的半嵌入式結(jié)構(gòu)，MET傳感器不僅表現(xiàn)出明顯的負(fù)電阻響應(yīng)，而且在拉伸時(shí)還具有同步的力致變色能力。值得注意的是，MET傳感器具有明亮的結(jié)構(gòu)顏色，高韌性(35.6 kJ m^-3)，優(yōu)異的機(jī)械彈性，快速的光電響應(yīng)(0.30 s)和恢復(fù)速度(0.22 s)，最重要的是，即使在3萬次拉伸/釋放周期后，MET傳感器的結(jié)構(gòu)顏色和電響應(yīng)仍然保持不變，具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性、可靠性和優(yōu)良的穩(wěn)定性。

圖3 MET傳感器的機(jī)械和力致變色性能

圖4 MET傳感器的機(jī)電和交互性能

  最后，考慮到MET傳感器對(duì)外界應(yīng)變具有同步穩(wěn)定的光電雙信號(hào)響應(yīng)，他們進(jìn)一步將它作為一種新型的可視化交互裝置，其中顏色變化可由人眼直接感知并通過光譜進(jìn)行量化，電信號(hào)變化可由電子儀器準(zhǔn)確記錄，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體各種關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的交互式、可視化、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為基于導(dǎo)電織物的可視化交互傳感器的實(shí)現(xiàn)開辟了道路。

圖5 MET傳感器作為一種可視化交互裝置的檢測(cè)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

  相關(guān)成果發(fā)表近日發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。論文的通訊作者為大連理工大學(xué)牛文斌教授，第一作者為化工學(xué)院博士生趙凱。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721024554