《Intelligent perceptual textiles based on ionic - conductive and strong silk fibers》于 2024 年 4 月 17 日发表在《Nature Communications》上，作者是清华大学张莹莹教授课题组。

图1. 丝素蛋白基离子水凝胶（SIH）纤维的制备

1. 研究背景

将感知功能整合到纺织品中对智能可穿戴产品发展意义重大，但能准确感知外部危险并定位人体触摸的纺织品尚未实现。此前的金属导线和纳米碳基纤维存在电气和机械故障问题，几何设计与纺织品兼容性差。离子凝胶虽有柔性、导电性等优点，但需具备生物相容性、机械强度和高离子导电性的稳固凝胶纤维才能编织成智能纺织品。

图2. 不同SIH纤维样品的组成和结构分析

2. 高强度导电 SIH 纤维的制备

作者利用从蚕茧中提取的丝素蛋白制备纺丝原液，采用连续湿法纺丝方法制备再生蚕丝纤维，再将其通过含有离子液体(Emim)BF4、甘油和水的溶液进行溶剂交换，得到蚕丝基离子水凝胶（SIH）纤维。

图3. SIH纤维的机电性能

3. SIH 纤维的成分、结构与性能

成分与结构通过热重分析、能量色散光通过热重分析、能量色散光谱（EDS）与红外光谱证实(Emim)BF4均匀分布于 SIH 纤维中。热重曲线中 350℃的重量损失归因于(Emim)BF4，EDS 图谱中的元素 F 归属于(Emim)BF4，红外光谱中 1169 cm-1处的峰可归因于(Emim)+环中C-N-C的不对称振动。同时，红外光谱与偏光显微镜图片证明了 SIH 纤维的半结晶结构与高取向结构。

· 机械性能SIH 纤维拉伸强度和断裂伸长率分别可达 4 MPa 和 530%，进一步牵伸处理可将拉伸强度提高至 55 MPa，比之前报道的水凝胶纤维（＜10 MPa）高出数倍。在循环加载和卸载拉伸应力时表现出明显的迟滞，且第一次训练周期后几乎无塑性变形，抗疲劳性能良好。

· 电气性能SIH 纤维离子电导率可达 0.45 S・m⁻¹，在放置 3 周后或受各种机械刺激（按压、弯曲、拉伸）时能保持稳定。

图4. SIH纤维对火灾、水和切割的电响应，显示了在识别和警告危险方面的潜在应用

4. SIH 纤维在智能感知纺织品中的应用

· 危险感知防护纺织品将 SIH 纤维集成到商业手套中设计出智能防护手套，暴露在火、水和锐利物等危险条件下时，会产生特征电学信号以准确识别危险，可保护机器人免受潜在伤害。

· 触摸定位感知纺织品制备了 SIH 纤维基织物，通过电路系统设计，能特异性识别和准确定位人手触摸的位点或区域，不同于对任何物体接触 / 按压都产生响应的压阻型或电容型传感织物。人们穿戴该织物时，可通过触摸控制远程终端。

图5.  SIH基于纤维的人机界面感知纺织品

5. 结论

该研究制备的 SIH 纤维具有优异的力学和电学性能，基于此设计的智能感知纺织品能快速识别外部威胁，还能特异性识别并精确定位人类手指触摸，为下一代智能可穿戴设备和柔性智能纺织品的设计与制备提供了创新材料和方法。

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