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智能织物

内置传感器的衣服摇身一变,成为真正的高科技服装。它不仅能够监测呼吸节奏,还可以将人体运动信息传输至电脑屏幕。丹麦的一家初创公司LEAP Technology采用瓦克有机硅薄膜和导电有机硅弹性体研发出了这种传感器。

Smart Fabrics
智能纺织品 | 2016年05月12日 | 5:50 min

贴身的智能运动服犹如第二层皮肤,能够在不知不觉中记录下普拉提练习者的每一个动作。即使练习者是在家中的起居室,没有教练在一旁监督她的动作是否正确,高精度传感器也可通过蓝牙不断将数据传回智能手机,然后由分析软件检测出不正确的动作,从而保护运动者免受肌肉拉伤或炎症之苦。

纺织品与传感器的巧妙融合让未来的服装日趋智能化。今天,智能纺织品在运动服、消费电子和医疗技术等行业正迎来新的发展机遇。IDTechEx公司的市场调研报告显示,本年度全球可穿戴设备销售额预计将达到120亿欧元左右,其中智能纺织品所占比重不断增加。到2025年,全球可穿戴设备市场规模有望达到700亿欧元。

康复病人的福音

LEAP Technology生产的电活性弹性体正在进行测试:电源与带导电涂层的有机硅薄膜相连。

可穿戴技术的潜在应用领域非常广泛,几乎没有任何限制。例如,在游戏领域,传感器将玩家的动作信息传输至电脑,让玩家能与虚拟对手在剑斗游戏中一比高下。在康复领域,理疗师也可以像瑜伽或普拉提教练一样,通过内置传感器提供的信息了解康复病人是否严格遵照规定的治疗方案进行康复训练。

“这种可穿戴技术的益处不胜枚举,尤其有利于康复病人或久病患者,”瓦克有机硅薄膜应用化学家Renate Glowacki说道。“内置传感器二十四小时运行,悄无声息地监测着病人的身体起伏和呼吸运动,一旦病人健康受到威胁,就会向穿戴者或理疗师发出警告。”

电活性弹性体的生产原理:在有机硅薄膜表面涂覆一层有机硅弹性体,弹性体填充炭黑,因此具有导电性,可充当电极。

高精度迷你传感器是智能服装的核心组成部分。“衣服是人体与外界环境之间的屏障,”专为智能纺织品制造商及其他行业供应传感元件的丹麦LEAP Technology公司创始人Rahimullah Sarban博士解释说。“因此,将传感元件与衣服完美结合,能有效监测穿戴者的动作和身体机能。”

三明治结构的传感元件

基于硅橡胶薄膜的电活性聚合物等创新材料使这类弹性传感器的生产成为可能。瓦克以ELASTOSIL® Film品牌销售这类硅超薄薄膜,其厚度只有20-200微米(头发丝的直径约为70微米)。薄膜嵌在两个电极之间,电极采用瓦克有机硅弹性体制成,弹性体中填充炭黑,具有导电性。也就是说,这三层结构全部都是由弹性材料构成。“如果像压三明治一样按压这些材料,或者将它们纵向拉伸,体系的电容就会发生可检测到的变化。其实,这种基本传感单元不过是一个弹性电容器,”Glowacki解释说。

面向市场

凭借其优良的介电性能,瓦克的ELASTOSIL®有机硅薄膜成为LEAP Technology制造传感器的首选材料。

早在20世纪90年代,真正具有应用价值的技术就已经出现,许多企业也一直在对电活性聚合物进行研究,瓦克就是其中之一。“今天,实现电活性聚合物的工业化生产指日可待,”瓦克有机硅薄膜全球市场经理Susanne Neueder强调道。而想要最终变为现实,还需要市场以及像LEAP Technology这样的创新型初创企业的共同努力。

2014年,在瑞典林雪平市(Linköping)举行的EuroEAP 会议上,瓦克与会代表与LEAP Technology团队举行了会面。这家丹麦初创企业干劲十足,正全力开发传感元件,努力推动工业化生产,这让瓦克项目经理们大加赞赏。“有了瓦克,我们在这一领域就有了重要的合作伙伴——我们双方在技术领域具有极强的互补性,”LEAP Technology创始人Sarban博士说。“ELASTOSIL® Film硅橡胶薄膜是一种性能优异的材料,完全符合我们的需求” — 而且可以用于生产高精度传感器。Sarban博士还指出,“此外,瓦克有机硅弹性体不受电涌、电击或机械冲击的干扰。”

首先,LEAP Technology的实验室专家使用两种有机硅薄膜和一种经改性后具有导电性的瓦克硅橡胶来制作传感元件。然后,将传感单元与电线和纺织品机械配件连接。“最后,将整个单元嵌入到另一种瓦克有机硅中,以防止电气干扰,并形成理想表面,”Sarban博士解释道。传感元件交付客户之前,还要在Leap Technology实验室进行测试和校准。

更多应用领域

资料来源:IDTechEx Research, 2015

早在2014年初,瓦克就将电活性聚合物纳入名为“新型解决方案”(New Solutions)的跨领域、跨部门项目。该项目旨在将具有市场潜力的各种产品和技术完美融合在一起。目前,项目团队发展稳定。特别值得一提的是,团队成员Andreas Köllnberger博士凭借其在有机硅薄膜生产工艺方面的研发成果而荣获2015年“亚历山大·瓦克创新奖”。“智能纺织品并不是电活性聚合物的唯一应用,”Köllnberger博士强调说。“通过智能传感器进行人机交流,生产工人能够可靠地完成工业生产操作程序。”电活性聚合物还可以用作发电机,以及在电子、汽车和自动化技术领域用作执行机构——也就是说,只要是与能量采集有关的任何领域,都是电活性聚合物的用武之地。

电活性聚合物出色的材料特性主要依赖于有机硅的化学性能。“独特的交联反应发挥了重要作用,”瓦克化学师Glowacki表示。因为其分子结构中的单个聚合物链能很好地移动,所以尽管薄膜受到极度拉伸,它们仍然可以恢复原貌,不会有任何磨损。“为了生产出高质量的超薄有机硅薄膜,瓦克开发了一套复杂的生产工艺,并且已经申请专利,”Glowacki解释道。“另外,有机硅薄膜生产已成为我们与电活性聚合物元件生产商的重要合作项目。”

传感器的设计和测量原则

电源与带导电涂层的有机硅薄膜(1)相连。若薄膜因受力而产生形变,则薄膜表面(2)会发生变化,尺寸增大,从而导致电容变化。如果外力消失,薄膜恢复原样(3),则薄膜表面和电容也会再次发生变化。

为了确保这种精密硅橡胶薄膜的纯度,且不受颗粒污染,从而满足客户对执行机构和能量采集系统的要求,瓦克采用了一种在洁净室环境下的连续生产工艺。该工艺已经在一家小型工厂中投入运行,并计划在不久的将来进行大规模生产。第一步,涂覆加成固化硅橡胶混合物,确保所制成的超薄薄膜具有最高纯度。该工艺的主要优点是无需添加溶剂。第二步,加热,让聚合物链发生交联反应,并使薄膜定型。瓦克专家还在整个生产过程中加入了质量控制环节:“我们利用光学和超声波检测装置进行测量,保证整个表面的膜层厚度变化不超过5%,”Glowacki解释说。另外,ELASTOSIL® Film还可以卷筒形式供货——这也是其他同类生产工艺无法比拟的。

免维护元件

ELASTOSIL® Film产品的另一个优点是:它具备有机硅的所有重要特性,例如良好的耐高温性和低温柔韧性、优异的介电性能以及对各种物理化学作用力具有出色的耐受力。“有机硅薄膜极具弹性,即使多年承受机械应力,也不会磨损,”Glowacki补充道。“因此,电活性聚合物元件不需要任何维护。”

目前,LEAP Technology仍在手工制作或结合部分自动化工艺生产电活性聚合物元件。“生产这些超薄、柔软、高柔韧性的有机硅薄膜,对我们的机器设备提出了重大挑战,我们正朝着全面自动化的生产方向努力,”Sarban博士解释说。“而这正是保障我们实现每月数千件传感元件生产目标的唯一途径。” LEAP公司的Sarban博士说。

现阶段,最终产品制造商与瓦克这样的原材料供应商之间还存在一定的距离,而LEAP Technology正好填补了这一产业链空白。“因此,我们特别希望那些生产电活性聚合物元件的公司参与其中,”市场经理Susanne Neueder表示。“这样不仅能够满足传感器使用者的部分需求,而且有助于建成一个完整的供应链。”

“有机硅薄膜极具弹性,即使多年承受机械应力,也不会磨损,”

Renate Glowacki,瓦克有机硅应用技术专家

合作纷至沓来

基于纺织品的传感器将机械能转化为电能,从而采集身体运动信息。

LEAP Technology的专家们已经收到约120份咨询,分别来自跨国公司、中小企业和大学院校等。Sarban 表示,“我们的合作伙伴包括Ohmatex、Electricfoxy以及多家类似企业和几所丹麦大学。”

每次与客户会面讨论的重点都是围绕是否拥有材料和传感元件的可靠供应链。“瓦克是我们的重要伙伴,它能够大批量生产有机硅薄膜,”Sarban解释说。他还表示,正是这种彼此信赖的合作关系,有效保证了整个供应链的可靠运转。

未来,高科技智能织物的发展和普及,人们健康意识的提升,都离不开相关企业之间的紧密合作——而他们已经做好了准备!

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