把数百亿碳纳米管穿身上!这款T恤能测心电图,可承受千次以上形变

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“以前全世界都解决不好的一个问题,有望被此次成果解决。香港理工大学教授陶肖明,认为莱斯大学团队最新研发的碳纳米管线衬衫值得肯定。

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图 | 碳纳米管线衬衫(来源:莱斯大学)
把数百亿碳纳米管穿身上!这款T恤能测心电图,可承受千次以上形变图 | 碳纳米管线衬衫(来源:莱斯大学)此次莱斯大学团队,把碳纳米管线做成电极和信号线放置到衬衫中,它不仅能检测心率,还能连续记录用户的心电图

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(来源:莱斯大学)
在此前同类服装中,一般使用金属导线,比如不锈钢纤维、或者直接在聚酯或聚酰胺纤维上镀一层金属。此类方法存在的问题是,衣服多次出汗后,会让金属氧化进而降低导电性能。另外金属与皮肤直接接触,有可能发生敏感等。
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动图 | 制备过程(来源:莱斯大学)当前,最先进的穿戴式心脏监测技术,使用的是可传导的聚合物肩带,它的厚度很大,而且必须穿在运动服下。


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(来源:莱斯大学)而本次衬衫的诞生,可实现“一鱼两吃”,不仅能防寒蔽体、还能检测健康指标,用户无需额外花钱购智能手表。

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(来源:莱斯大学)由于碳纳米管线很柔软,可像棉线一样用机器缝制成织物,因此研究人员把导电碳纳米管线缝入运动服中,即可执行相关功能。

这些纤维采用锯齿形针脚图案,因此导线在拉伸的同时不会遭到破坏。而这些锯齿形图案也可根据衬衫、或其他面料的拉伸程度进行调整。

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(来源:莱斯大学)不过制备出能缝进衣服的碳纳米管线,也并非一帆风顺。最初的线大约有 22 微米宽,大概只有不到头发直径的三分之一,这太窄了缝纫机根本无法处理。后来,该团队制备出一种可缝纫的线,每束有 7 根碳纳米管线,集合三束后即可编织成与普通缝纫线大致相同的尺寸。

的导电性能很好,基本可以取代金属来做信号线。拉伸强度满足要求,可弯折。最重要的优点是电化学惰性,汗水对其不起作用。

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(来源:莱斯大学)这些纤维与金属线一样具有导电性,但可以和衣服一起进行清洗,碳纳米管具有和纺织线一样的机械行为,不会让人感觉这是一根金属线,因此穿起来没有不适感。并且,当用户做运动时,管线断裂的可能性也比较低。

反复被洗衣机清洗和拉伸之后,也不会导致信号降解,这说明该衬衫能和传统服装制造技术相结合。

该团队表示,在实验中,就收集数据来说,碳纳米管衬衫比进行实时测量的胸带监视器更好。当与商用医疗电极监测器配合使用时,碳纳米管线衬衫的心电图略好一些。

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(来源:莱斯大学)然后,在手臂肘窝中放置一个 3M 红点接地电极,另外放置两个 3M 红点电极,以便并排比较获得的信号。下图显示了碳纳米管线电极和商业电极的整体皮肤电极阻抗。

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(来源:莱斯大学)对比来看,增加碳纳米管线电极的尺寸变化并不会显著降低阻抗,并且碳纳米管线电极也不会对传感器性能产生负面影响。

实验中,该团队将一个碳纳米管线电极放置在手腕和前臂上,并在肘部附近放置一个商业接地电极。然后,受试者用握紧拳头抓住了他前臂的肌肉。

下图显示了碳纳米管线电极收集的肌电图,其中白色箭头表示受试者与肌肉接触,黑色箭头表示受试者放松肌肉。肌肉的激活电位与基线信号明显不同,这表明碳纳米管线电极可作为无创肌电电极。

 

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(来源:莱斯大学)在所有实验中,碳纳米管线电极的信噪比都与商业电极相当。将碳纳米管线电极拉

伸到纺织品的最大应变(∼60%)再释放,连续 1000 次以上。重复多次后,碳纳米管线电极的信噪比没有明显降低。


在该研究中,碳纳米管线被缝在运动衬衫的胸部,以展示电子纺织品的功能。在下图中,该团队将两个碳纳米管线电极连接到一个商业心率监测器(PolarH1035)的蓝牙发射器上,该发射器能和佩戴在用户胸部的聚合物带一起工作。这时研究人员把电极缝在衬衫内侧肋骨区域周围,以便与皮肤接触。
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(来源:莱斯大学)事实上,最早于 2013 年,该团队引入了碳纳米管纤维,每根纤维都有数百亿个纳米管。此前,研究人员将其用于修复受损心脏的旁路,并将其用于大脑电接口、人工耳蜗、以及汽车和航空航天的天线等。

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(来源:莱斯大学)
总之,碳纳米管线是可穿戴纺织品的理想选择;它柔软灵活、可机洗,并且很容易融入服装或纺织品。可穿戴电子产品是一个前景广阔的产业,目前可穿戴电子产品(包括传感器和传输线)很难集成到织物上,因此当下主要作为织物配件存在。而此次莱斯大学团队的成果,为碳基材料用于可穿戴传感、监测和诊断器件,提供了新思路。

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图 | 碳纳米管纺成纱线(来源:CSIRO on Wikimedia Commons)此外,以往的研究表明,碳纳米管线在多个生物尺度上是无毒的,它和多种细胞都具有良好的细胞相容性,对免疫细胞或血液参数没有影响。

将来莱斯大学团队一旦攻克安全问题,就可以落地进行量产。当前的智能手表虽然可以测心率,但是测不出来准确的心电图,有些显示的心电图经过了大数据修正。另外她认为,该衬衫也可以考虑缓解运动后的疲劳。比如体育锻炼以后往往很劳累,那么让衬衫中的碳纳米管纤维对身体产生微电流刺激,还可以缓解疲劳。