未来的穿戴设备什么样

时间:2017-09-25 09:58来源:大西北网 作者: 点击: 载入中...
  至尊宝娱乐官网讯   丝绸也能成为智能设备
  
  在“刊媒惠”科技论文成果推介沙龙上,清华大学化学系副教授、博士生导师张莹莹透露,未来丝绸将在可穿戴设备方面大有可为,科学家正在将丝绸柔滑服帖的特性嵌入柔性电子器件,改造出新一代的可穿戴设备,届时这种设备能够非常好地贴合皮肤,“甚至我们戴它和不戴它没有什么影响和感觉,非常舒适自然。”
  
  目前市场上也有一些可穿戴设备,比如时尚人士腕上的手环,可以监测血压和脉搏,但它并不是柔性的,而未来需要的是可随着人们的动作自由拉伸的柔性可穿戴设备,不仅信号非常准确,人穿上还很舒适,显然目前的产品还达不到这样的要求。
  
  在张莹莹看来,未来柔性可穿戴设备的材料必须满足两个条件,一是导电,二是柔性,在此基础上还有一些更好的功能,“比如说很轻薄,没有毒,可以拉伸,甚至可以打印、可以自我修复,就像我们的皮肤有一个小小的伤口可以自愈合,这是我们期待的未来。”
  
  张博士正带着团队进行科研攻关,“我们实验室进行的研究非常简单,有两种材料是我们关注的对象,第一种材料是添加了石墨烯的钛,第二种材料是蚕丝。希望借助它们能够做成理想的可穿戴器件,成为可穿戴设备的智能支撑物。”
  
  张莹莹她们利用新材料研制了新型传感器,“这个传感器的灵敏度非常高,可以检测特别小的压力,同时也可以检测比较大的压力,响应时间也很快,稳定性也很高,性能非常理想。”
  
  这个传感器有多灵敏,张莹莹说:“这个传感器可以感知声带变化,以此揭示出人在说什么话;还可以测脉搏,脉搏每一次跳动的信号都可以反应出来。将这个传感器集成起来的灵敏度更强,比如在一个面上滴三滴水,水滴在什么位置,到底压力有多大,都可以感知到。”
  
  要让柔性电子器件持续工作就需要为其提供一个能源,厚重的电池没有办法变成柔性的电源,张莹莹团队想到了生活中常见的植物——丝瓜,模拟丝瓜结构做成了一个纤维状的超级电容器,拉伸850%其性能仍然非常稳定,可以点亮外界的小灯泡,这样就可以将这个电源编到衣服里。
  
  之后研究人员又将目光转向了丝绸,张莹莹说,丝绸起源于我们中国,在我们国家是有5000多年的使用历史。丝绸是一种天然的蛋白纤维,所以跟人类的亲和性是非常好,还有很好的强度,很好的光泽性,这样使它成为一种很好的穿戴材料,这种穿戴的材料自古以来就是各种丝绸的制品,丝绸的衣服、丝巾、领带,其实蚕丝还是一种很常用的手术缝线,本身做成的织物是透气的,不仅可以是纤维,还可以做得更细,也可以做成一个立体的泡沫结构,也可以做成一个薄膜,这样就使得蚕丝用在可穿戴上是很有潜力的。
  
  要用蚕丝做可穿戴设备的材料支撑就需要它导电,可蚕丝不导电,有两种思路,第一种思路是将石墨烯和蚕丝结合起来。第二种方式是将蚕丝转化为碳化的蚕丝,碳化的蚕丝分子结构在转化的时候恰好是能够形成一些石墨烯结构。科研人员通过探索新方法使桑吐的丝里含有石墨烯。张莹莹透露,他们实验室用这种方法得到的蚕丝,其力学性能可以提高到接近蜘蛛丝的水平。
  
  用这种很天然的方法使得蚕丝里面加入碳粉和石墨烯从而变得更加坚韧,可导电的功能如何实现呢,科研人员想出了模拟电线结构的方法,在碳纳米管外面包上蚕丝,这样就可以放在衣服里,这个材料也已在实验室研制成功。另一种让蚕丝导电的方法是,将蚕丝内的分子加热时转化成石墨化的结构,这个石墨化的结构可以带给蚕丝很好的导电性。
  
  运用以上方法,丝绸就变成了能导电的智能织物。科研人员用这种材料制成了柔性器件,拉伸性可以达到原长的5倍,有很好的灵敏度,稳定性也很强,其性能水平之高前所未有。
  
  知不知道
  
  人造皮肤已经获得突破
  
  将柔性可穿戴设备的概念更推进一步,就是电子皮肤,又叫人造皮肤。今年荣膺“世界杰出女科学家奖”的美国斯坦福大学教授、华人科学家鲍哲南,就是因人造皮肤开发而闻名于世。
  
  鲍哲南认为,像人类皮肤一样柔软的柔性电子器件,将是电子工业下一个发展的大趋势,甚至有可能颠覆智能手机。
  
  “未来电子工业不一定很硬,也可以柔软”,鲍哲南说,摩尔定律几乎已达到物理极限,未来的电子工业出路会在哪里,新的材料、新的器件将是开辟一个全新电子工业的基本元素。
  
  鲍哲南曾在贝尔实验室工作了8年,在贝尔实验室诞生的13个诺贝尔奖中,晶体管是第一个。晶体管就是一个电子器件,计算机芯片的运转,以及显示屏幕会转换画面,都是因为有它。而晶体管之所以能蓬勃发展,有一个重要的关键点,就是发现了可以用便宜的材料“硅”来做晶体管。后来英特尔又发明了集成电路,同样一个衬底上放得晶体管更多。到现在,芯片可以做到7纳米,比人的头发还要细,如果再缩小,就是原子级了,几乎已达到物理极限。
  
  未来电子工业还有什么出路?鲍哲南认为,如果要让电子工业有一个新的突破的话,现在所用的电子材料完全要变掉。因为现在的电子材料都是硬的,硅就像玻璃一样,容易碎。未来可以把电子产品做成更加多样化、多形化。比如电子元器件或者传感器可以很柔软,能穿在身上,可以折叠,还有很好的电子功能,还能跟着我们身体一起移动。
  
  以前研究领域是显示屏、集成电路的鲍哲南,将关注点投到“人造皮肤”上,源于2005年的一次偶遇:当时在斯坦福大学工作的鲍哲南看到的机械系在做一个可以像蟑螂一样爬的机器人,研发者告诉她这个机器人还有一些未解决的问题,比如当“蟑螂”向上爬到墙顶时,墙没有了,但它的爪子却感受不到,没东西抓就掉下来了。研发者当时提出了一个机器人领域里很重要的问题,就是缺少一种能让机器人有感觉的柔软、很薄的“皮肤”。
  
  鲍哲南想到了自己的研究领域,能不能做一个新型的电子材料:有柔性、拉伸性,能够传感,这都是人类皮肤所拥有的特性。更有意思的是,皮肤还有生物降解性,并且如果皮肤有划痕了,它自己还可以把疤痕慢慢去掉,进行自修复。“我想,如果模拟皮肤的这些功能,并全加入电子材料,实现了这个简单的概念,我们就可以实现开辟一个新的电子工业时代最基本一些元素。而这也成为了我进行科学研究的灵感和动力来源,进而形成了我研究的大目标:用新的材料、新的器件,让电子工业有新的发展可能性。”
  
  鲍哲南的研究一步步实现了人造皮肤的功能:通过把橡胶做成像小金字塔一样的形状解决了可触摸。这个金字塔的塔尖非常柔软,你一压塔尖,就很容易改变形状,进而改变电容,于是就有了触摸感;用一些导电的小颗粒和一些高分子的材料混合在一起解决了可测温度;还实现皮肤的化学和生物功能,如果你手上的皮肤可以感知化学分子或者生物分子的话,也许你可以给自己做身体检查。看到皮肤上有一个痣,颜色不太对,也许你摸一下就可以知道这个是不是癌症细胞,或者你在触摸桌子的时候,就可知道这个桌子表面是否有细菌。
  
  接下来,鲍哲南研究团队又开始进行进一步的材料设计:比如研制快速自愈电子聚合物,可以导电也可以自我修复;可伸缩的晶体管,即便弯来弯去,也不会改变它的导电性;还有可生物降解的半导体材料,用这个材料做电子电路如果植入体内,人们可以控制它的分子结构,使得它在一定的时间内慢慢地生物降解。此外为满足个性化需求,人造皮肤也可以是蝴蝶状。这些材料的功能,是目前已有的电子器件所做不到的,但鲍哲南认为,这将开始一个新的可能性。
(责任编辑:苏玉梅)
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