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柔性可穿戴智能化设备带给热塑性弹性体行业的发展机遇

来源:荣格国际橡胶商情     发布时间:2019-09-18
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来源:互联网
 
可穿戴智能化设备可定义为直接穿在身上或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备,更可以通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能。
 
可穿戴设备将会对我们的生活、感知带来很大的转变。可穿戴智能设备特征为:操作时可以自由移动,无需手进行操作,在不干扰正常生活的情况下,通过传感器实时地感知甚至控制和调整自己的位置和状态。
 
可穿戴智能设备根据身体的位置可以分为:头部设备、服饰设备、腰部设备、腕带设备、手部设备、下肢设备。按使用的形式分为:眼镜、腕表、腰带、服装、手套、鞋等。其所用的传感器按功能可以分为:压阻式传感器、压电式传感器、电容式传感器、柔性图像感应阵列、生物传感器、气体传感器、多功能集成感应系统(详见:娄正,新材料产业,No.10,55,2017)。
 
随着电子技术、互联网和高速通信技术的高速发展,数据通信将不再局限于人与人之间的交流和通信,也不再局限于传统的电脑和手机终端,任何物体都有可能通过各种传感器,都可以通过与云端的大数据服务器进行实时的数据通信,实时地感知、控制和调整自己的位置和状态。
 
怎样能够智能和实时传送人体相关的生理信息,并利用好该信息为生活提供便利,成为大数据时代大家关注和产品开发的一个热点。
 
人体作为生命的主体,其位置和生命状态特征如血压、血糖和脉搏等一系列生理信息的实时采集与传输,不仅可以用于人体的健康监控,利于医生的诊断分析,而且可以扩宽人类生活的想象空间。以VR游戏为例,2018年,美国著名导演史蒂文.斯皮尔伯格在电影《头号玩家》给大家展现了通过高速通信技术将现实与网络虚拟游戏世界有机结合起来的未来世界,其中作为连接虚拟游戏世界与现实的重要载体就是通过与身体直接接触的各种传感器将游戏玩家实时感应到虚拟世界信息的游戏装备。这种游戏装备能提高虚拟游戏玩家的代入感,其相关产品的开发为未来柔性可穿戴智能化设备迅速产业化带来一个有巨大想象空间的应用市场。
 
因此,开发服务人类生活和娱乐的柔性可穿戴多功能智能设备越来越成为大数据时代科学研究和新产品开发的热点。
 
笔者认为柔性可穿戴智能设备的发展大致可以分为三个阶段:
 
第一阶段(如图1所示):这张来源于互联网早期的可穿戴设备的讲义图片,展示了利用现有的电路和传感元件进行组合,实现可穿戴设备的相应功能。其缺点在于体积庞大、外观杂乱,且人体舒适性差。
 
第二阶段(如图2所示):这张图片为某国外厂家正在开发的用于机器人控制的柔性arduino中控电路板。电路板和导线的柔性和集成化,芯片和电子元件的小型化,进一步提高人体的舒适性。
 
第三阶段(如图3所示):这张来源于Natureletter(详见:S.Wang,etc.,Nature,Vol.555,83-88,2018)的图片,展示了电路板、导线和电子元件柔性和隐形化,意味着可穿戴设备的进一步发展。

由于柔性可穿戴智能化设备对生理信息的采集必须与人体长期直接接触,因此怎样选择合适的与人体直接接触的材料,提高与人体直接接触的生物相容性和人体的长时间佩戴的舒适性,应该是可穿戴智能化设备及传感器研发的热点。
 
与以往对可穿戴智能化设备专注于设备的功能、用途和使用形式的文献报道不同,本文是从柔性可穿戴智能化设备及传感器使用的材料角度,简要介绍可用于柔性可穿戴智能化设备及传感器的材料。
 
柔性可穿戴智能化设备由以下三部分构成:
 
1)柔性载体:考虑到长时间穿戴的舒适和透气性,纤维纺织材料是必然的选择,传统的纤维材料为天然棉纤维和塑料纤维(聚酯纤维、尼龙纤维、腈纶纤维)无法满足与人体紧密接触的需求,而以热塑性弹性体纺织成的弹性纤维成为最好的选择。目前新型的热塑性弹性体(如苯乙烯热塑性体弹性体、聚氨脂弹性体、聚酯弹性体、聚酰胺弹性体)均可以纺织成弹性优良的基体材料,是用作柔性可穿戴智能化设备与人体长时间接触同时满足弹性和舒适性要求的理想载体。
 
2)柔性传感器:传感器检测与人体接触需要一定的检测面积,所以目前开发的柔性传感器均以膜片形式存在,目前用于传感器的柔性基体材料包括:硅橡胶(PDMS)、聚酯(PET)、聚氨脂(PU)、苯乙烯热塑性弹性体(SEBS)、聚酰亚胺膜(PI)、聚偏氟乙烯膜(PVDF)等。考虑到硅橡胶与人体生物相容性好,具有优良的韧性和弹性,同时又具有优异的耐磨性、软触感、耐湿性、耐多种化学药品性能,目前柔性传感器的研究是以硅橡胶为基材,通过结构设计,与以上材料多层膜复合来实现传感器的各种功能。
 
3)柔性电路:传统的印制电路板和金属电子细线显然不能满足柔性可穿戴智能化设备的需求,因此开发具有良好导电性能的弹性纤维和弹性膜电路板也是目前研究柔性可穿戴智能化设备的热点,其所用基体材料涉及聚酰亚胺、聚酯、聚氨脂、SEBS等,所用的导电材料涉及碳纳米管、石墨烯、镓铟液体金属等新材料。
 
柔性可穿戴智能化设备与其他行业的发展紧密相关,柔性载体的发展带来传统服装产业的变革,柔性传感器带来传统传感器生产工艺的变革,柔性电路板带来传统集成电路和芯片制造产业的变革,而这些变革都新材料新工艺的应用密不可分。而柔性可穿戴智能化设备的发展也给新材料产业尤其是热塑性弹性体行业带来巨大的发展机遇。
 
 

 

作者:张爱民,四川大学高分子材料工程国家重点实验室

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