倫敦帝國理工學院新研究：可穿戴傳感器設計成 T 恤和口罩！

一、導讀

柔性傳感器出色的產品特性引起了科學界和工業界的廣泛關注，并且也已應用于眾多應用領域。可穿戴傳感器的使用可以讓設備非侵入性地附著在身體上，從而長期監測與健康有關的生物物理和(生物)化學信號。然而，新興的可穿戴傳感器通常要求用戶額外佩戴和攜帶測量所需的硬件，但一個人每天能攜帶的測量儀器是有限的，這一限制減緩了許多可穿戴設備的發展。

衣服經常與身體接觸，但在實際應用中，傳感器很少被集成到衣服中。由于堅固的有機纖維、紗線和線，如棉花、聚酯和尼龍，是紡織工業的標準材料，之前的報道應用有機和金屬涂層來生產導體或半導體的材料，但由涂料生產的紗線需要復雜的合成，并可能使用有毒化合物。最重要的是，表面涂層通常不能承受紡織品制造中使用器械的研磨工藝。因此，迄今為止報道的導電有機紗線要么完全利用手工刺繡將傳感器嵌入織物中，要么需要高度專業化且昂貴的儀器。

計算機刺繡可以在計算機上高效設計高空間清晰度的傳感結構，但在織物上集成傳感器的一個大問題是缺乏與計算機刺繡兼容的導體和半導體紗線。在所有導電聚合物中，聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）的水懸浮液因其可加工性和生物相容性，已被用于紡織涂層應用和棉基基材上傳感器的構建，但通過計算機刺繡制造傳感器的機械堅固性和高成本仍然是尚未解決的問題。

二、成果掠影

倫敦帝國理工學院Firat Güder，Fahad Alshabouna團隊利用二乙烯基砜(DVS)作為交聯劑，在涉及 PEDOT:PSS、乙二醇(EG)和纖維素基底的卷對卷反應中進行交聯反應，制備成一種低成本的 (PEDOT:PSS)改性棉線(PECOTEX)，它完全兼容家用和工業電腦刺繡機，同時解決了刺繡過程中導電線的機械魯棒性問題。PEDOT: PSS生產的改性導電棉線具有結構、機械、電氣/電化學特征，可以將可穿戴電子傳感器無縫集成到服裝中。

相關研究工作以“PEDOT:PSS-modified cotton conductive thread for mass manufacturing of textilebased electrical wearable sensors by computerized embroidery”為題發表在國際頂級期刊Materials Today上。

三、核心創新點

1.這項工作通過用PEDOT:PSS改性棉線，使用DVS生產機械耐用和機器刺繡的低成本導電線，可用于使用計算機刺繡的可穿戴傳感器的大批量生產。

2.研究者生產了用于監測呼吸的口罩，用于監測心臟活動的T恤，以及用于監測氨的紡織氣體傳感器，作為技術演示。PECOTEX有潛力大規模生產新型低成本可穿戴傳感器，集成到日常服裝中。

四、數據概覽

圖1 (a) PEDOT: PSS改性棉線(PECOTEX)的合成示意圖和生產出來的線的照片。(b)在棉織物(狀交叉電極)和1毫米厚硅膠(蛇形結構)襯底上使用PECOTEX進行計算機圖案刺繡的工藝流程。? 2022 Elsevier B.V.

圖2 (a)不同方案的導電線在刺繡前后的電阻。(b)兩種導電性能最好的方案(E5D3, 3D5)刺繡前后薄膜的拉曼光譜。(c)預處理前后E3D5的歸一化拉曼光譜。預處理增加了纖維素表面的-OH反應位點，提高了涂層的堅固性。? 2022 Elsevier B.V.

圖3 (a)螺紋的力-位移特性。前處理削弱了螺紋，降低了其斷裂強度。(b) PECOTEX在高達10%的循環應變下的電阻變化。(c)刺繡后棉線、PECOTEX和PECOTEX的掃描電子顯微鏡和光學顯微鏡照片。(d)刺繡PECOTEX圖案的機洗試驗，可達15次。在整個實驗過程中，電阻基本保持不變。(e)PECOTEX的循環伏安曲線隨著掃描速率和掃描循環次數的增加產生的變化。PECOTEX性能足夠穩定，適用于大多數電化學傳感應用。? 2022 Elsevier B.V.

圖4 (a)帶繡花EGC電極的T恤。(b) 帶有刺繡電極的呼吸傳感器。(c)刺繡傳感器的NH₃濃度響應。? 2022 Elsevier B.V.

五、成果啟示

作者已經生產出一種全有機棉質導電線(PECOTEX)，可以與家用和工業電腦刺繡機兼容。在這項工作中報道的PECOTEX使用卷對卷加工降低了成本生產。實驗室生產少量導電線，材料成本為0.15 USD m^-1。當工業生產規模擴大時，這一數字將大幅下降。與市售Ag基導電螺紋相比，PECOTEX表現出刺繡后的平均阻力，刺繡時的斷口數，繡層數等優越的特性。此外，PECOTEX可以承受刺繡過程中所經歷的惡劣機械條件,因此與計算機刺繡完美兼容。PECOTEX 也有一定的缺點：PECOTEX的電阻在刺繡后增加；隨著時間的推移，刺繡圖案的導電性下降。

雖然在這項工作中，作者只展示了PECOTEX應用于心臟、呼吸活動和氣體傳感的可穿戴監測，但該材料適用于廣泛的其他應用，這些包括但不限于可穿戴電化學傳感器，電池，加熱器，可穿戴電路互連和防靜電(ESD)服裝導體，所有這些都可以通過計算機刺繡大批量生產，成本效益高。

原文詳情：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702122002085

本文由張熙熙供稿。