纺织行业的下一次革命是将电子产品和纺织品相结合,形成“智能”纺织产品。IDTechEx Research最近的一份报告便表明,到2030年,电子纺织品市场价值预计将超过14亿美元。

电子纺织品的应用展示了强大的研发成果,诸如竞技体育生物识别技术(胸带或服装)、加热服装、照明服装、高端时尚电子纺织服装、地毯压力传感器等应用,已从早期的商业销售扩展到了全面的市场渗透。此外,尚有许多产品还处于早期开发阶段。

尽管如此,织物与电子产品相结合的发展仍然存在许多挑战,包括供应链还不够成熟。至于在可靠性、交叉兼容性和标准、设备适用性、材料来源和间接成本方面存在的挑战,也一直阻碍着多种类型产品的商业开发。

幸好的是,由于行业进行了大量的投资,不同机构也建立了合作伙伴关系,一些障碍正在减少,更多企业能够以不太高昂的价格生产出更多高级的电子纺织产品。这些进步正增强新兴电子纺织产品对于相应市场中现有产品的竞争力,而且目前市场上已有一系列能够满足各种需求的设计。

带印刷电路的无线充电、可洗涤服装

制造商可以使用Liquid X公司的专有墨水技术将电路直接印刷到服装上。今年5月,具有样机到生产设计能力和制造能力的功能性金属墨水制造商Liquid X公司和射频(RF)远程空中无线电源技术供货商Powercast公司,宣布成立了一家印刷电子技术企业,使服装制造商能够轻松地将无线电源功能集成到耐用、灵活、高性能的可清洗电子纺织品中。

透过利用Liquid X专有的无颗粒墨水技术,制造商可以将电路直接打印到服装上,添加Powercast公司的无线电源技术装置和电池,并在制造过程中将所有这些组件密封到服装中。

两家企业的目标是实现耐用电子纺织品的经济生产,并具有电池供电功能,例如用于健康与保健、运动监控,或直接嵌入服装的LED照明,消费者可以方便地进行无线充电,并可以清洗,无需拆下电池组。

现今的智能服装通常会将电子装置和电池组卡在服装上,用户在洗涤之前必须将其拆下。通过将Liquid X和Powercast的技术结合到一起,制造商就可以将电子产品直接集成到服装中。

首先,采用Liquid X公司的专有墨水将电路印刷在织物上,其中包括Powercast公司的RF无线接收天线。通过增材制造技术,Liquid X的无颗粒墨水被直接沉积到织物上,涂覆织物纤维以形成高导电通道,从而为基于纺织品的产品提供了经济、持久的解决方案,同时保持了基底织物材料的完整性。

接下来,便将Powercast的Powerharvester RF无线电源接收器芯片、电池和其他组件安装到印刷导电信道上。最后,由密封剂形成高强度的防水粘结层,密封所有电子装置。

给电池充电时,消费者只需将Powercast RF发射器放在存放其智能可穿戴设备的壁橱或抽屉中即可。其以无线方式将RF能量传输到嵌入可穿戴设备中的RF接收器,然后将其转换为直流(DC)来为电池充电。

两家位于美国宾夕法尼亚州的公司于今年初举行的CES展会上,展出了一种可无线充电的智能运动衫样品。该样品使用印刷电子装置、嵌入式功率收集技术,以及在距无线发射器最远10英尺的无线供电LED进行照明。

由新型纳米复合材料制造的3D打印功能性纺织品

一种具有导电性的新型聚合材料,在3D打印机中被用作原材料。瑞典Borås大学研究人员开发了一种在纺织品上印刷的新方法,该方法可以缩短资源密集型生产过程。当前使用丝网或喷墨技术进行印刷的产品,现在可以使用3D打印机直接在纺织品上打印,而这对于生产智能和功能性纺织品很重要。

博士研究生Razieh Hashemi Sanatgar在她的研究项目中开发了一种具有导电特性的新型聚合物材料,该材料可用作3D打印机的原料。

透过使用一种聚合物混合物,她在其中混入了导电纳米填料,包括碳纳米管和炭黑,形成一种纳米复合材料。对这些纳米复合材料的各种混合物如何附着到纺织品上,以及实现了哪些特性的系统研究也已经完成。

该研究的目的是为智能和功能性纺织品开发一种集成、量身定制的生产工艺,同时要求该工艺使用较少的水、能源、化学品,并减少浪费,从而尽可能减少对环境的影响。另一个好处是,可以通过在所需的确切位置上,接在纺织材料上印刷纳米复合材料来进行定制生产。

该研发项目中存在的一项挑战,是在细丝通过3D打印机后,均匀地实现并保持所需的导电3D打印机细丝特性。科学家们成功地优化了3D打印前后纳米复合材料的性能,这对于能够控制打印后的特性及其变化非常重要。

至于项目的另一个挑战,则是聚合物和纳米复合材料与各种纺织材料的粘合程度。由于在纺织品上进行3D打印是一项新技术,因此尚未充分研究聚合物和纳米复合材料在纺织品上的粘附性。研究人员现在正在进行一项系统研究,研究各种打印工艺参数对聚合物和纳米复合材料在纺织品上附着力的影响。

这种创新工艺可用于智能绷带生产、VR手套、具有传感器和热性能的服装、救援设备,可感应体温的运动服装、医疗设备、汽车、航空航天工业等,即需要精确控制导电材料放置在纺织材料上的位置,以及导电性能应如何发挥作用的场合。

用于热自适应服装的石墨烯纺织品

利用红外辐射来降低体温,可以通过使用红外透明纺织品来实现。得益于石墨烯的热性能和柔韧性,曼彻斯特大学的科学家们最新开发了一款智能自适应性服装,其可以在炎热气候条件下降低人体温度。

他们制作了样品服装来显示服装中的动态热辐射控制,其中石墨烯层被用于控制来自纺织品的热辐射。这一开发成果为新的应用打开了大门,例如在交互式红外显示及纺织品上的隐蔽红外通信。

人体以红外光谱中的电磁波形式辐射能量,称为黑体辐射。在炎热气候条件下,充分利用红外辐射来降低体温,可以通过使用红外透明纺织品来实现。

在相反的情况下,红外线屏蔽是减少人体能量损失的理想选择,而急救毯便是用于处理极端体温波动情况的常见示例。

由科学家组成的合作团队,通过电调节集成在纺织品上的石墨烯层的红外发射率(辐射能量的能力),展示了两个相反状态之间的动态转化。

曼彻斯特大学过去曾分离出单原子厚的石墨烯,并进行研究,发现其潜在用途巨大,推动了商业化产品的飞速发展,包括电池、手机、体育用品和汽车。今次的研究则显示,智能光学纺织品技术可以改变其热能见度,并透过使用石墨烯层控制纺织品表面的热辐射。

领导这项研究的Coskun Kocabas教授指出,控制热辐射的能力是多种关键应用场合(例如在高温环境中对人体进行温度管理)的关键必要条件,然而,在周围环境变热或变冷时保持这些功能是一个巨大的挑战。

研究在不同形式的纺织品上成功地演示了光学特性的调制,利用纤维结构的普遍用途,从而使新技术适用于红外和电磁频谱其他区域,在纺织品展示、通信、自适应宇航服和时装等领域获得应用。新研究成果也可以整合到现有大规模生产的纺织材料中,例如棉布。

为了展示该技术,研究团队开发了置于一件T恤内的样品,使穿戴者可以投射肉眼看不见但可以被红外相机读取的编码消息。

这一研究领域的下一步,是解决地球轨道卫星动态热管理问题。轨道上的卫星面对太阳时会温度过高,在地球阴影下方时会冻结,利用该技术可以控制热辐射,并按需调节卫星温度,实现卫星的动态热管理。

用于测量身体参数的电子纤维

EPFL研究人员开发了一种新型电子纤维,可以通过测量织物变形来采集人体信息。在瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL),研究人员开发了可嵌入纺织品中,用于收集有关身体参数信息的电子纤维。纤维有助于测量细微、复杂的织物变形,从而获取人体信息。该技术使用传输线理论,可应用于多种场合,例如医疗保健和机器人技术领域。

想象一下能够监控穿戴者呼吸和其他重要动作的衣服或医院床单,或者是具有AI功能的纺织品,这些纺织品可以使机器人与人类进行更安全、更直观的交互作用。该项研究所开发的柔软传输线,为所有这些应用打开了大门。

在该项研究中,研究人员发明了一种传感器,可以同时检测不同种类的织物变形,例如拉伸、受压和扭转。据介绍,找到一种计算所有这些信息的方法是其中最大的挑战,因为传感器很难同时测量多个运动。

传统传感器有几个缺点,它们较脆弱,容易断裂,而且需要大量传感器来覆盖较大的面积,这样就损害了织物的许多优点。此外,每种传统传感器只能检测一种变形。

通过结合反射测量概念,研究人员成功开发了柔性纤维状传感器,从而为智能纺织品打开了新的大门。这项技术的工作原理类似于雷达,但是它发出的是电脉冲而不是电磁波。

光纤传感器与传输线路一样进行高频通信,而系统测量从发出信号到接收到信号之间的时间,由该时间计算变形的确切位置、类型和强度。这种检测技术以前从未在需要高机械灵活性和强大电子性能(这是变形识别的两个关键特征)的应用场合使用。

据了解,制造这些纤维是一项复杂的工作,涉及作为导体的液态金属和光纤的制造过程。纤维结构只有几微米厚,并且结构必须完美,否则将无法正常工作。

采用这些纤维,织物的整个表面就变成一个大传感器,而诀窍是使用一种易于放大的简单方法来制造完全由柔性材料制成的传输线。该项研究的下一步,将是缩小电子组件从而使该技术产品更便于携带。

供糖尿病患者穿着的智能袜子

Siren公司的智能袜子可以实时跟踪糖尿病患者的足部温度。总部位于美国旧金山的医疗技术公司Siren推出了其首款采用Neurofabric技术的产品,即Siren糖尿病袜子和脚部监测系统。该技术将微型传感器直接完全无缝嵌入到织物中,让用户看不见这些传感器。

Siren糖尿病袜子不断监测脚的温度,从而可检测到炎症迹象,这是糖尿病足溃疡的先兆。糖尿病足溃疡的发作是一种危险状况,如果不加以控制,会导致严重的并发症,包括截肢。

临床试验证明,监测足部温度是获取脚部伤情最有效的方法,与常规糖尿病足护理方法相比,其预防糖尿病足溃疡的有效率高87%。当前想要监视脚部温度,必须去看医生,并手动测量每只脚上6个点的温度,这一过程非常耗时,且效率低下。

采用Siren公司的解决方案能够进行实时检测和早期干预,从而可以防止发生严重并发症,这些并发症每年导致下肢截肢超过100000例,每年给美国医疗保健系统造成的损失超过430亿美元。

对于患有糖尿病性神经病变的人来说,Siren袜子的外观和感觉就像一双普通的袜子,可以无缝融入日常生活中。它们舒适、服帖,可进行连续的临床级温度监测,并跟踪健康状况随时间的变化。患者所要做的就是像平常一样穿上袜子,如果检测到炎症迹象,则患者和医生会通过Siren伴侣应用程序和/或短信收到通知。

Siren脚部监控系统包括多种专利技术,可实现集成传感器的标准制造,以及多个设备的同时配对,这两方面都是以前无法解决的。