同步共组装大拉伸可洗人机交互电极的相关研究

　　电子织物将电子功能与纺织品相结合，是柔性电子领域近些年来的热点方向。电子织物除了具备柔软的机械性能，还可以利用纤维的多孔结构达到出色的透气性能，极大的提高了电子器件在长期可穿戴过程中的舒适性。目前，主要通过在纤维表面沉积金属涂层、金属纳米线、导电聚合物等方法使纺织品获得导电性。然而这些导电图层在承受大形变、剐蹭和反复洗涤过程中易于剥离，是电子织物主要的功能失效机制。如何制备高电导率、拉伸性好、轻薄透气、可清洗的导电织物和功能器件是该领域的核心挑战。

　　针对上述问题，南京大学孔德圣课题组提出了一种基于银纳米线和聚氨酯微米纤维同步自组装的导电织物制备方法，获得了在三维空间中聚合物微米纤维和银纳米线相互绑定的复合网络结构，不仅实现了极高的电导率 (>5000 S cm–1)，同时具备优异的可拉伸性和可洗涤性，相关成果近日发表于ACS Materials Letters上。

　　1. 同步自组织制备方法，优异的物理特性

　　孔德圣课题组通过静电纺丝、喷涂纳米银线同步制备工艺，获得了基于银纳米线/聚氨酯微米纤维的导电织物。这种织物具有高电导率 (>5000 S cm–1)、超高拉伸性 (~600%应变) 和出色的循环耐久性。在承受应变分别为 50%时，电阻增加 1.21倍、100% 应变时增加 1.66倍、200% 应变时增加 4.4倍、400% 应变时增加 24.2倍 和 600% 应变时的增加 100.5倍。

　　2. 透气性和耐久性

　　为了测试其实用性能，该文测试了不同厚度织物的透气性能，其中500 μm厚的导电织物其透水气率为13.1 g/(h•m2)，与传统织物的性能相当，充分满足了人体对织物透气性的要求；进一步测试了电极的水洗性能，将导电织物在清水和洗涤剂中进行反复洗涤，其电阻值不仅没有明显上升，而且由于包裹在银纳米线上表面活性剂的去除而略微下降，展示出良好的水洗性能。

　　3. 纤维直径的影响

　　织物是银纳米线组装的结构支架，纤维直径是影响导电织物的微观结构和物理性能决定性因素之一。该论文通过实验证实基于微米纤维（直径10 μm）的导电织物拉伸性能很好，而基于纳米纤维（直径500 nm）的导电织物拉伸性能则不尽人意。该现象的主要原因在于银纳米线可以完全附着在聚氨酯微米纤维表面，在拉伸的过程中银纳米线与微米纤维协同变形，具有优异的结构稳定性。聚氨酯纳米纤维的直径较小无法有效固定银纳米线，大量银纳米线悬空搭接在纳米纤维之间，在拉伸的过程中大量银纳米线由于脱落和滑动，使得织物的电导率显著下降。

　　4. 基于电子织物的可穿戴人机接口

　　该文进一步制备了基于电子织物的肌电传感器件，其采用四通道设计实时采集上臂肌群处不同手势对应的电信号，利用基于XGBoost模型的机器学习算法，利用短暂的训练过程，可对复杂手势进行高精度动态识别，从而实现了玩具车的无线体感遥控。该文采用t-SNE降维可视化技术对数据库中的不同手势的肌电数据进行了降维分析，从图中可以看出每组手势的肌电信号数据点聚集在一起，并且每组手势之间的差别较大，基本不存在数据点重合的现象，表明电子织物可以灵敏的监测并区分不同手势之间的肌电信号差异，具有很高的区分度。