紡織行業的下一次革命是將電子產品和紡織品相結合,形成“智能”紡織產品。IDTechEx Research最近的一份報告便表明,到2030年,電子紡織品市場價值預計將超過14億美元。

電子紡織品的應用展示了強大的研發成果,諸如競技體育生物識別技術(胸帶或服裝)、加熱服裝、照明服裝、高端時尚電子紡織服裝、地毯壓力傳感器等應用,已從早期的商業銷售擴展到了全面的市場滲透。此外,尚有許多產品還處於早期開發階段。

儘管如此,織物與電子產品相結合的發展仍然存在許多挑戰,包括供應鏈還不夠成熟。至於在可靠性、交叉兼容性和標準、設備適用性、材料來源和間接成本方面存在的挑戰,也一直阻礙著多種類型產品的商業開發。

幸好的是,由於行業進行了大量的投資,不同機構也建立了合作伙伴關係,一些障礙正在減少,更多企業能夠以不太高昂的價格生產出更多高級的電子紡織產品。這些進步正增強新興電子紡織產品對於相應市場中現有產品的競爭力,而且目前市場上已有一系列能夠滿足各種需求的設計。

帶印刷電路的無線充電、可洗滌服裝

製造商可以使用Liquid X公司的專有墨水技術將電路直接印刷到服裝上。今年5月,具有樣機到生產設計能力和製造能力的功能性金屬墨水製造商Liquid X公司和射頻(RF)遠程空中無線電源技術供貨商Powercast公司,宣布成立了一家印刷電子技術企業,使服裝製造商能夠輕松地將無線電源功能集成到耐用、靈活、高性能的可清洗電子紡織品中。

透過利用Liquid X專有的無顆粒墨水技術,製造商可以將電路直接打印到服裝上,添加Powercast公司的無線電源技術裝置和電池,並在製造過程中將所有這些組件密封到服裝中。

兩家企業的目標是實現耐用電子紡織品的經濟生產,並具有電池供電功能,例如用於健康與保健、運動監控,或直接嵌入服裝的LED照明,消費者可以方便地進行無線充電,並可以清洗,無需拆下電池組。

現今的智能服裝通常會將電子裝置和電池組卡在服裝上,用戶在洗滌之前必須將其拆下。通過將Liquid X和Powercast的技術結合到一起,製造商就可以將電子產品直接集成到服裝中。

首先,採用Liquid X公司的專有墨水將電路印刷在織物上,其中包括Powercast公司的RF無線接收天線。通過增材製造技術,Liquid X的無顆粒墨水被直接沉積到織物上,涂覆織物纖維以形成高導電通道,從而為基於紡織品的產品提供了經濟、持久的解決方案,同時保持了基底織物材料的完整性。

接下來,便將Powercast的Powerharvester RF無線電源接收器芯片、電池和其他組件安裝到印刷導電信道上。最後,由密封劑形成高強度的防水粘結層,密封所有電子裝置。

給電池充電時,消費者只需將Powercast RF發射器放在存放其智能可穿戴設備的壁櫥或抽屜中即可。其以無線方式將RF能量傳輸到嵌入可穿戴設備中的RF接收器,然後將其轉換為直流(DC)來為電池充電。

兩家位於美國賓夕法尼亞州的公司於今年初舉行的CES展會上,展出了一種可無線充電的智能運動衫樣品。該樣品使用印刷電子裝置、嵌入式功率收集技術,以及在距無線發射器最遠10英尺的無線供電LED進行照明。

由新型納米複合材料製造的3D打印功能性紡織品

一種具有導電性的新型聚合材料,在3D打印機中被用作原材料。瑞典Borås大學研究人員開發了一種在紡織品上印刷的新方法,該方法可以縮短資源密集型生產過程。當前使用絲網或噴墨技術進行印刷的產品,現在可以使用3D打印機直接在紡織品上打印,而這對於生產智能和功能性紡織品很重要。

博士研究生Razieh Hashemi Sanatgar在她的研究項目中開發了一種具有導電特性的新型聚合物材料,該材料可用作3D打印機的原料。

透過使用一種聚合物混合物,她在其中混入了導電納米填料,包括碳納米管和炭黑,形成一種納米複合材料。對這些納米複合材料的各種混合物如何附著到紡織品上,以及實現了哪些特性的系統研究也已經完成。

該研究的目的是為智能和功能性紡織品開發一種集成、量身定制的生產工藝,同時要求該工藝使用較少的水、能源、化學品,並減少浪費,從而盡可能減少對環境的影響。另一個好處是,可以通過在所需的確切位置上,接在紡織材料上印刷納米複合材料來進行定制生產。

該研發項目中存在的一項挑戰,是在細絲通過3D打印機後,均勻地實現並保持所需的導電3D打印機細絲特性。科學家們成功地優化了3D打印前後納米複合材料的性能,這對於能夠控制打印後的特性及其變化非常重要。

至於項目的另一個挑戰,則是聚合物和納米複合材料與各種紡織材料的粘合程度。由於在紡織品上進行3D打印是一項新技術,因此尚未充分研究聚合物和納米複合材料在紡織品上的粘附性。研究人員現在正在進行一項系統研究,研究各種打印工藝參數對聚合物和納米複合材料在紡織品上附著力的影響。

這種創新工藝可用於智能繃帶生產、VR手套、具有傳感器和熱性能的服裝、救援設備,可感應體溫的運動服裝、醫療設備、汽車、航空航天工業等,即需要精確控制導電材料放置在紡織材料上的位置,以及導電性能應如何發揮作用的場合。

用於熱自適應服裝的石墨烯紡織品

利用紅外輻射來降低體溫,可以通過使用紅外透明紡織品來實現。得益於石墨烯的熱性能和柔韌性,曼徹斯特大學的科學家們最新開發了一款智能自適應性服裝,其可以在炎熱氣候條件下降低人體溫度。

他們製作了樣品服裝來顯示服裝中的動態熱輻射控制,其中石墨烯層被用於控制來自紡織品的熱輻射。這一開發成果為新的應用打開了大門,例如在交互式紅外顯示及紡織品上的隱蔽紅外通信。

人體以紅外光譜中的電磁波形式輻射能量,稱為黑體輻射。在炎熱氣候條件下,充分利用紅外輻射來降低體溫,可以通過使用紅外透明紡織品來實現。

在相反的情況下,紅外線屏蔽是減少人體能量損失的理想選擇,而急救毯便是用於處理極端體溫波動情況的常見示例。

由科學家組成的合作團隊,通過電調節集成在紡織品上的石墨烯層的紅外發射率(輻射能量的能力),展示了兩個相反狀態之間的動態轉化。

曼徹斯特大學過去曾分離出單原子厚的石墨烯,並進行研究,發現其潛在用途巨大,推動了商業化產品的飛速發展,包括電池、手機、體育用品和汽車。今次的研究則顯示,智能光學紡織品技術可以改變其熱能見度,並透過使用石墨烯層控制紡織品表面的熱輻射。

領導這項研究的Coskun Kocabas教授指出,控制熱輻射的能力是多種關鍵應用場合(例如在高溫環境中對人體進行溫度管理)的關鍵必要條件,然而,在周圍環境變熱或變冷時保持這些功能是一個巨大的挑戰。

研究在不同形式的紡織品上成功地演示了光學特性的調制,利用纖維結構的普遍用途,從而使新技術適用於紅外和電磁頻譜其他區域,在紡織品展示、通信、自適應宇航服和時裝等領域獲得應用。新研究成果也可以整合到現有大規模生產的紡織材料中,例如棉布。

為了展示該技術,研究團隊開發了置於一件T恤內的樣品,使穿戴者可以投射肉眼看不見但可以被紅外相機讀取的編碼消息。

這一研究領域的下一步,是解決地球軌道衛星動態熱管理問題。軌道上的衛星面對太陽時會溫度過高,在地球陰影下方時會凍結,利用該技術可以控制熱輻射,並按需調節衛星溫度,實現衛星的動態熱管理。

用於測量身體參數的電子纖維

EPFL研究人員開發了一種新型電子纖維,可以通過測量織物變形來采集人體信息。在瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL),研究人員開發了可嵌入紡織品中,用於收集有關身體參數信息的電子纖維。纖維有助於測量細微、複雜的織物變形,從而獲取人體信息。該技術使用傳輸線理論,可應用於多種場合,例如醫療保健和機器人技術領域。

想象一下能夠監控穿戴者呼吸和其他重要動作的衣服或醫院床單,或者是具有AI功能的紡織品,這些紡織品可以使機器人與人類進行更安全、更直觀的交互作用。該項研究所開發的柔軟傳輸線,為所有這些應用打開了大門。

在該項研究中,研究人員發明了一種傳感器,可以同時檢測不同種類的織物變形,例如拉伸、受壓和扭轉。據介紹,找到一種計算所有這些信息的方法是其中最大的挑戰,因為傳感器很難同時測量多個運動。

傳統傳感器有幾個缺點,它們較脆弱,容易斷裂,而且需要大量傳感器來覆蓋較大的面積,這樣就損害了織物的許多優點。此外,每種傳統傳感器只能檢測一種變形。

通過結合反射測量概念,研究人員成功開發了柔性纖維狀傳感器,從而為智能紡織品打開了新的大門。這項技術的工作原理類似於雷達,但是它發出的是電脈沖而不是電磁波。

光纖傳感器與傳輸線路一樣進行高頻通信,而系統測量從發出信號到接收到信號之間的時間,由該時間計算變形的確切位置、類型和強度。這種檢測技術以前從未在需要高機械靈活性和強大電子性能(這是變形識別的兩個關鍵特徵)的應用場合使用。

據了解,製造這些纖維是一項複雜的工作,涉及作為導體的液態金屬和光纖的製造過程。纖維結構只有幾微米厚,並且結構必須完美,否則將無法正常工作。

採用這些纖維,織物的整個表面就變成一個大傳感器,而訣竅是使用一種易於放大的簡單方法來製造完全由柔性材料製成的傳輸線。該項研究的下一步,將是縮小電子組件從而使該技術產品更便於攜帶。

供糖尿病患者穿著的智能襪子

Siren公司的智能襪子可以實時跟蹤糖尿病患者的足部溫度。總部位於美國舊金山的醫療技術公司Siren推出了其首款採用Neurofabric技術的產品,即Siren糖尿病襪子和腳部監測系統。該技術將微型傳感器直接完全無縫嵌入到織物中,讓用戶看不見這些傳感器。

Siren糖尿病襪子不斷監測腳的溫度,從而可檢測到炎癥跡象,這是糖尿病足潰瘍的先兆。糖尿病足潰瘍的發作是一種危險狀況,如果不加以控制,會導致嚴重的並發癥,包括截肢。

臨床試驗證明,監測足部溫度是獲取腳部傷情最有效的方法,與常規糖尿病足護理方法相比,其預防糖尿病足潰瘍的有效率高87%。當前想要監視腳部溫度,必須去看醫生,並手動測量每只腳上6個點的溫度,這一過程非常耗時,且效率低下。

採用Siren公司的解決方案能夠進行實時檢測和早期干預,從而可以防止發生嚴重並發癥,這些並發癥每年導致下肢截肢超過100000例,每年給美國醫療保健系統造成的損失超過430億美元。

對於患有糖尿病性神經病變的人來說,Siren襪子的外觀和感覺就像一雙普通的襪子,可以無縫融入日常生活中。它們舒適、服帖,可進行連續的臨床級溫度監測,並跟蹤健康狀況隨時間的變化。患者所要做的就是像平常一樣穿上襪子,如果檢測到炎癥跡象,則患者和醫生會通過Siren伴侶應用程序和/或短信收到通知。

Siren腳部監控系統包括多種專利技術,可實現集成傳感器的標準製造,以及多個設備的同時配對,這兩方面都是以前無法解決的。