具有发光、自愈和磁性特性的可扩展光纤可以增强人机交互

Josiah02 · 发表于 2024-12-9 23:17:43

一个团队开发出了具有自修复、发光和磁性的柔性纤维。这种可扩展的水凝胶包覆离子电子镍芯电致发光 (SHINE) 纤维可弯曲，发出高可见度的光，并且在被切割后可以自动修复，恢复到其原始亮度的近 100%。此外，这种纤维可以无线供电，并利用磁力进行物理操控。
这种纤维集多种实用功能于一身，可作为发光软机器人纤维和交互式显示器等应用，还可编织成智能纺织品。
该团队的研究成果于2024年12月3日发表在《自然通讯》上。研究人员包括新加坡国立大学设计与工程学院材料科学与工程系的跨学科科学家，他们与新加坡国立大学健康创新与技术研究所（iHealthtech）合作。
“如今，大多数数字信息主要通过发光设备传输。我们对开发能够发光的可持续材料非常感兴趣，并探索可以扩展应用场景（例如智能纺织品）的新形式因素（例如纤维）。设计可持续发光设备的一种方法是使它们具有自我修复能力，就像皮肤等生物组织一样，”这项研究的首席研究员 Benjamin Tee 副教授说。
单一设备中的多功能创新
发光纤维已成为一个日益受到关注的领域，因为它们有可能补充多个领域的现有技术，包括软机器人、可穿戴电子产品和智能纺织品。例如，提供动态照明、交互式显示和光学信号等功能，同时提供灵活性和适应性，可以提高人机交互的响应速度和直观性，从而改善人机交互。
然而，这种光纤的使用通常受到物理脆弱性的限制，并且难以在不增加复杂性或增加能量需求的情况下将多种功能集成到单个设备中。
新加坡国立大学研究团队的 SHINE 光纤解决了这些挑战，它在一个可扩展的设备中结合了光发射、自修复和磁驱动。与市场上现有的在损坏后无法自我修复或进行物理操作的发光光纤相比，SHINE 光纤提供了一种更高效、更耐用、用途更广泛的替代方案。
该纤维基于同轴设计，结合了用于磁响应的镍芯、用于发光的硫化锌电致发光层和用于透明的水凝胶电极。该团队使用可扩展的离子诱导凝胶化工艺，制造出长达 5.5 米的纤维，即使在露天储存近一年后仍能保持功能。
Tee 副教授表示：“为了确保在明亮的室内照明条件下清晰可见，通常建议亮度至少为 300 至 500 cd/m 2。我们的 SHINE 光纤亮度创下 1,068 cd/m 2的纪录，轻松超过阈值，即使在光线充足的室内环境中也清晰可见。”
该纤维的水凝胶层在环境条件下通过化学键重组进行自我修复，而镍芯和电致发光层通过 50 摄氏度下的热诱导偶极相互作用恢复结构和功能完整性。
“更重要的是，恢复过程可恢复纤维原有亮度的 98% 以上，确保修复后可承受机械应力，”Tee 副教授补充道。“这种能力支持对受损和随后自我修复的纤维进行再利用，使这项发明在长期内更具可持续性。”
SHINE 光纤还具有由镍芯实现的磁驱动功能。这一特性使得光纤能够通过外部磁铁进行操控。
“这是一个有趣的特性，因为它可以使发光软机器人纤维等应用能够在狭小空间内机动，执行复杂的动作并实时进行光学信号传输，”该论文的第一作者傅雪梅博士说。
揭示新的人机交互方式
SHINE 纤维可以编织成智能纺织品，可以发光，并且在切割后可以轻松自我修复，为可穿戴技术增加了耐用性和功能性。
凭借其固有的磁驱动，光纤本身也可以充当软机器人，能够发光、自我修复、在狭窄空间中导航，即使在完全切断后也能发出光学信号。此外，该光纤可用于交互式显示器，其磁性可实现动态图案变化，从而促进黑暗中的光学交互和信号传递。
展望未来，该团队计划提高纤维磁驱动的精度，以支持更灵巧的机器人应用。他们还在探索将传感功能（例如检测温度和湿度的能力）编织到完全由 SHINE 纤维制成的发光纺织品中的可能性。

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