武培怡教授团队ACS Nano：多功能智能可穿戴纤维织物
机械适应性强、便携、质轻且可缝制、耐久使用、可水洗和穿戴舒适的纤维电子产品，已逐渐成为新兴生物集成设备的理想选择。特别是柔性、可形变、持久耐用，透气和易制备的纤维织物产品，几十年来一直是可穿戴电子织物和电子皮肤领域的研究热点。随着制备工艺的快速发展，可穿戴织物电子产品在人工智能、人机交互、大数据管理、物联网等领域扮演着越来越重要的作用。但就现有技术而言，开发出可以模拟生物体感知功能，同时超越生物感知能力的织物传感器，仍然是一个巨大的挑战。
武培怡教授课题组近年来报道了一系列用水凝胶和弹性体材料来模拟生物皮肤和组织的力学、传感、和刺激响应特性：实现了离子皮肤的多功能性制备(Adv. Mater. 2017, 29, 1700321; Nat. Commun. 2018, 9, 1134; ACS Nano, 2018, 12, 12860-12868; Mater. Horiz. 2019, 6, 538-545; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908018)。同时，课题组成员近几年推成出新，努力进取，将多功能传感能力积极拓展到溶剂识别(Nat. Commun. 2019, 10, 3429)和信息智能加密和传输、危险预警等应用领域 (Adv. Mater. 2021, 33, 2008479; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 5, 6731–6738)。
近期，武培怡教授团队利用湿法纺丝技术制备了一种具有多功能感知能力的Kevlar/MXene (KM)智能可穿戴纤维织物。该纤维织物可被多次清洗和缝织。依托相应的智能口罩，可以对人体呼吸进行实时监控，从而以高精度和便携性检测潜在的健康问题，为疾病判断和实现远程诊疗提供了重要参考。同时，该团队还开发了一种温度响应的智能纤维织物手套，通过预知周围潜在危险来防止人体受到伤害。此外，这种智能感知系统可赋予软体机器人对多种常见的液体有机分子进行基本特性判断和初步识别的能力，帮助人们对未知液体进行快速识别。最后，作者通过规律性按压具有超快响应 (90 ms)和恢复(110 ms)能力的KM纤维信号发射器，可对文字信息进行加密，结合无线技术实现了信号在线传输和保存。相关论文以“Scalable Fabrication of Kevlar/Ti3C2Tx MXene Intelligent Wearable Fabrics with Multiple Sensory Capabilities”为题发表在纳米材料领域国际顶尖期刊ACS Nano上。
图1. MXene片层制备、利用三氟乙酸(TFA)和甲基磺酸(MSA)体积比1:1的混酸体系对Kevlar纤维进行剥离，再在醋酸凝固浴中湿法纺丝制备形貌规整的KM纤维。
图2. KM纤维性能表征：XRD，FTIR，TGA，力学拉伸，电导率测试。
通过调配Kevlar和MXene的质量比例可以制备耐高温、力学性能和导电性能可控的KM纤维，随着MXene含量的增加，KM纤维热稳定性得以提升；同时纤维断裂伸长率降低、杨氏模量增加；电导率也逐步提高，通过置换回路中部分导线也足以点亮小灯泡。
图3. KM纤维可编织性、温度敏感响应特性：智能口罩和智能手套的构建。
由于导电成份的MXene引入，赋予KM复合纤维温度敏感特性，随着温度的升高，KM纤维电阻下降，可以对呼吸作用产生的温度变化进行敏锐地捕捉，实现对呼吸作用的实时监测。此外，将KM纤维结合到手套上可制备对外界环境灵敏感知的智能手套，在探测到温度升高时(表现为电阻下降)，可快速提醒佩戴者外界温度的急剧变化，防止机体受到损伤。
图4. 基于KM纤维压力敏感响应特性，可以编码Morse code用于信息的加密传输。
此外，所构建的纤维传感器凭借快速的信号响应和恢复、信号的超高稳定性，通过手指规律性按压纤维传感器，控制按压时间可实现对信息进行加密和无线传输。这种方法保证了信息加密的安全性，同时在一定程度上可以防止重要信息的泄露，进一步结合无线传输技术可以远程进行求救信号的发送。
图5. KM纤维传感体系对多种有机溶剂的识别。
通过将KM纤维编织成网络结构，利用不同挥发速率的溶剂滴落在纤维表面，由于受到重力作用，溶剂在滴落后会使得纤维体系电阻产生变化。接着，极易挥发的溶剂如丙酮、正己烷和乙醚等由于挥发速率较快，对纤维传感器的电阻的影响可以快速恢复到原有水平；而难挥发的溶剂如水和DMF等则会对纤维电阻产生较为持久的影响。利用这些特点，可以轻易实现对多种常见溶剂进行区分和识别。
此项研究工作利用湿法纺丝技术制备了Kevlar和MXene复合纤维，该纤维织物由于易制备、耐用、柔性、可清洗以及舒适的穿戴性而在多领域得到应用，如用于人体呼吸状态实时监测；对外界高温环境进行预判并做出风险提示；以及对未知有机溶剂进行识别；此外基于Morse code原则可实现对重要信息进行加密、保存和传输。这种先进的纤维传感器设计理念为研究者们在智能可穿戴传感器制备材料选择上提供了一种新思路，拓宽了传感器在个性化的人体健康检测、危险判断、和信息加密传输领域的应用。该工作提出的KM纤维织物有望为下一代可穿戴柔性织物电子产品提供强有力的技术支持。
该课题得到了国家自然科学基金重点项目(51733003)的资助与支持。复旦大学博士生程宝昌为文章第一作者，通讯作者为武培怡教授。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c00749
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