新型碳纳米管、传感器、智能纺织品

想象一下是否有舒适和便宜的可穿戴面料能够检测各种压力和运动呢？现在特拉华大学的科学家们已经创造了这样一种技术，它可能会有一些有趣的应用。这种材料由副教授Erik Thostenson和博士生Sagar Doshi领导的团队开发，材料的基础包括常规面料，如棉、尼龙，聚酯或羊毛等。

开拓全新的应用

传感器涂层织物的一个潜在应用是测量人们走路时脚上的力量数据。这些数据可以帮助临床医生评估患者受伤后的损伤情况，或者帮助运动员预防受伤。这个应用的开发工作是特拉华大学INBRE资助的一个试点项目的一部分，托斯滕森的研究小组正在与特拉华大学的机械工程学教授、神经肌肉生物力学实验室主任吉尔·希金森（Jill Higginson）的小组合作，攻克其中的难点。他们的目标是拿这些嵌入鞋子里的传感器，与传统的生物力学实验室技术如仪器式跑步机和运动捕捉等进行对比，看是否具备独特的性能优势。

人们在实验室进行测试的时候是知道自己正在被监视的，但在实验室之外，测试者心理状况不同可能会导致其行为是不同的。

托斯滕森说：“我们设计了一个解决方案，在实验室之外进行测试并获取数据：穿戴有这些新颖的纺织品的测试者走在街上、家里、任何其他地方的时候，才开始记录他们的数据。”

特拉华大学的机械工程博士、论文的主要作者SagarDoshi，在项目中负责的是制造传感器、优化它们的灵敏度、测试它们的力学性能、并将它们集成到鞋子中。他已经在进行初步测试的人员身上佩戴了传感器。他们到目前为止已经获取了两种数据：传感器收集的数据和需要花费数千美元的实验室设备压力板收集的数据。

Doshi表示：“这种低成本的传感器薄而且灵活，所以有可能制造出集成有电子产品的定制鞋类和服装，用来存储日常生活中的运动数据。研究人员或治疗师可以对这些数据进行分析，以评估运动效果或者降低医疗成本。”这项技术在运动医学、手术后恢复以及评估儿童运动障碍方面也有很大的应用前景。

位于威尔明顿的阿尔弗雷德·杜邦儿童医院儿童临床研究和发展中心主任、特拉华大学材料科学和工程学院的附属生物医学工程和生物科学系教授罗伯特·阿金斯说：“想要在短时间内实现从现实环境中收集儿童的运动数据是很有挑战性的。这种薄薄的、灵活的、高度敏感的传感器可以帮助物理治疗师和医生远程评估孩子的运动情况。这意味着临床医生可以收集更多的数据，并可能以一种成本效益更高的方式收集到更好的数据，而不需要病人像传统的方法那样频繁地出入诊所。”

跨学科的合作对于发展未来应用是至关重要的。工程师在特拉华大学有一个能够同教师和学生合作交流的独特机会。这些老师和同学来自特拉华大学的健康科学学院，负责科学、技术和校园先进研究（STAR）项目的工作。

Doshi表示：“我们作为工程师能够开发出新的材料和传感器，但我们并不总是完全理解医生、理疗师和病人所面临的关键问题。我们与他们合作，致力于解决他们所面临的问题，引导他们找到一个现在已有的解决方案，或者制定一个创新的解决方案来解决这个问题。”

托斯滕森的研究小组还计划将基于纳米管的传感器用于其他应用，如结构健康监测。

托斯滕森表示：“我们长期以来一直在研究碳纳米管和基于纳米管的复合传感器。我们通过与土木工程研究人员合作，率先开发出了柔性纳米管传感器，用来检测桥梁和其他大型结构中存在的裂缝。”

托斯滕森表示感兴趣的复合材料的开发方向之一是如何在不同的长度范围内设计和使用这些材料：从宏观部分的几何形状如飞机部件、飞机机翼、汽车零部件的水平到织物结构、纤维级别的水平。现在，碳纳米管和石墨烯等纳米增强材料为我们定制材料的结构和功能特性提供了另一个物理层次的帮助。我们的研究虽然可能是基础性的，但人们看到了这项研究的广泛应用的潜力。特拉华大学的复合材料研究中心（UD-CCM）有着通过学校的工业联盟将实验室的基础研究发现转化为商业产品的悠久历史。