美麻省理工發明可溫控伸縮的智慧型纖維

【2023年11月04日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)美國麻省理工學院(MIT)和東北大學(NU)共同開發出一種智慧型纖維,可以讓衣服進行自動伸縮和改變形狀。這讓人們可能實現在不同季節只穿同一件外套,或像電影中蜘蛛俠一樣,擁有一套可自由伸縮變緊的戰衣。

過去的變形纖維存在缺陷,例如,一種變形合金的纖維僅能收縮5%左右,且不會自行反轉,在幾次變形後就會停止工作,這妨礙人們將其溶入紡織製品當中。而科學家們希望能夠研製可以靜音激活,且顯著改變其形狀的纖維,讓它融入常見的紡織品製當中。

這次,麻省理工學院和東北大學將液晶彈性體(LCE)材料加入纖維中,做出這種可編程纖維「FibeRobo」,不僅與現有的紡織製造機械相容,還可用於製造變形紡織品,包括織成具有功能性的夾克。這項新發明於10月底發表在《第36屆ACM軟體與技術年度研論文集》中。

LCE材料是一種可以像液體一樣流動的分子,它們沉降時會堆積,排列成周期性的晶體,升溫時晶體則會失去排列。該材料同時具有自行反轉、無磁滯的特點,且無需捲繞即可實現40%的大位移。

研究人員利用這個特性,將這些晶體結構整合到彈性纖維網中,這讓纖維網擁有橡皮筋一樣的彈性。若對材料進行加溫,彈性纖維網就會拉在一起,讓纖維出現收縮的現象,若熱量消失,晶體分子則恢復原來的排列,而材料會恢復至原來的長度。

過去用LCE纖維無法在人體溫度下進行變形,只能在60°C至150℃溫度下產生作用,同時還有無法批量生產和難以融入織物等缺點。為了改善這些問題,需要生產出可以在皮膚安全溫度(45°C以下)下激活的LCE纖維,使其適用於穿戴式織物上,還能夠進行批量生產。

因此,該團隊合成了一種含有LCE分子的液體樹脂,將黏稠的LCE樹脂加熱後,透過橡膠槍噴嘴將材料緩慢擠壓,再用紫外線照射固化樹脂纖維的兩側。之後,實驗人員將這些纖維浸入油中,賦予其光滑的塗層並再次固化,再將紫外線燈調至最大強度,從而形成堅固且光滑的纖維。

最後,它們被收集到紡織製造機器的頂部線軸中,並浸入滑石粉末,使其可以更容易地進入紡織製造機器中,生產出可以在皮膚安全溫度下激活的FibeRobo。這些滑石粉末只要用溫肥皂水即可輕鬆去除。

不過,FibeRobo纖維製作的過程對於紫外光的強度要求十分嚴格,若光線太暗,材料會分離並從機器中滴出,而如果光線太亮,則會形成團塊,從而產生凹凸不平的纖維。

該團隊把LCE材料合成出成品線軸的過程,需要花費大約一天的時間,每天可以生產出長度約750公尺的即用纖維。另外,生產FibeRobo纖維的設備費用,要比製造普通的LCE纖維低上許多,這有利於大量生產。

FibeRobo可以在不彎曲的情況下收縮高達40%,且能以每公尺20美分的成本進行量產,這種價格遠比市售的變形纖維要便宜得多,且可用於工業縫紉機和針織機,以及手工藝機或手動鉤編等非工業工藝上,而無需進行任何工藝修改。

目前,這種功能纖維可以與導電線結合,導電線在通電時就充當加熱元件,為纖維提供電力激活,因此使用者可以通過數位裝置去控制紡織品。

該團隊展示了許多由FibeRobo材料製作的物品,其中包括女性運動內衣。當女性使用者在鍛鍊時,內衣會收緊防止掉落。另外,他們還用工業針織機為狗狗製作了一件可通過智慧型手機控制的壓縮夾克,對狗狗做出類似擁抱的動作,藉此緩解狗狗不安的情緒。

該團隊表示,他們也正在探索製造功能纖維的其它方法,希望未來能調整纖維的化學成分,使其可回收或進行生物降解。他們還希望簡化聚合物合成過程,以便一般的使用者也可以自己動手製作。

麻省理工學院媒體實驗室的研究生傑克‧福爾曼(Jack Forman)對該大學新聞室表示,生活中充滿紡織品,人們將其用於個人表達和功能性服裝,包括用纖維強化複合材料、屏蔽輻射的太空衣等,但這些紡織品無法隨著環境或時間改變,因此人們需要一種能進行變化的合成纖維。

這項研究得到了凸版印刷公司、本田研究院、美國國家留學基金委等多個機關和公司支持。

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