Группа разработала гибкие волокна с самовосстанавливающимися, светоизлучающими и магнитными свойствами. Масштабируемое ионотронное никелевое электролюминесцентное волокно (SHINE) с гидрогелевой оболочкой является гибким, излучает хорошо видимый свет и может автоматически восстанавливаться после разрезания, восстанавливая почти 100% своей первоначальной яркости. Кроме того, волокно можно питать беспроводным способом и манипулировать им физически с помощью магнитных сил.
Благодаря множеству полезных функций, объединенных в одном устройстве, волокно находит потенциальное применение в качестве светоизлучающих мягких роботизированных волокон и интерактивных дисплеев . Его также можно вплетать в умные ткани.
Исследование группы было опубликовано в журнале Nature Communications 3 декабря 2024 года. В состав исследователей входят междисциплинарные ученые с кафедры материаловедения и инженерии Колледжа дизайна и инженерии Национального университета Сингапура (NUS), которые сотрудничали с Институтом инноваций и технологий в области здравоохранения (iHealthtech) NUS.
«Большая часть цифровой информации сегодня передается в основном через светоизлучающие устройства. Мы очень заинтересованы в разработке устойчивых материалов , которые могут излучать свет, и в исследовании новых форм-факторов, таких как волокна, которые могли бы расширить сценарии применения, например, умный текстиль. Один из способов разработки устойчивых светоизлучающих устройств — сделать их самовосстанавливающимися, как биологические ткани, такие как кожа», — сказал доцент Бенджамин Ти, ведущий исследователь этого исследования.
Многофункциональная инновация в одном устройстве
Светоизлучающие волокна стали областью растущего интереса из-за их потенциала дополнять существующие технологии в различных областях, включая мягкую робототехнику, носимую электронику и умный текстиль. Например, предоставление таких функций, как динамическое освещение, интерактивные дисплеи и оптическая сигнализация, при этом предлагая гибкость и адаптивность, может улучшить взаимодействие человека и робота, сделав их более отзывчивыми и интуитивными.
Однако использование таких волокон часто ограничивается их физической хрупкостью и сложностью интеграции множества функций в одно устройство без усложнения конструкции или увеличения энергопотребления.
Волокно SHINE исследовательской группы NUS решает эти проблемы, объединяя световое излучение, самовосстановление и магнитное приведение в действие в одном масштабируемом устройстве. В отличие от существующих на рынке светоизлучающих волокон, которые не могут самовосстанавливаться после повреждения или подвергаться физическим манипуляциям, волокно SHINE предлагает более эффективную, долговечную и универсальную альтернативу.
Волокно основано на коаксиальной конструкции, объединяющей никелевый сердечник для магнитной чувствительности, электролюминесцентный слой на основе сульфида цинка для излучения света и гидрогелевый электрод для прозрачности. Используя масштабируемый процесс ионно-индуцированного гелеобразования, команда изготовила волокна длиной до 5,5 метров, которые сохранили функциональность даже после почти года хранения на открытом воздухе.
«Чтобы обеспечить четкую видимость в условиях яркого внутреннего освещения, обычно рекомендуется яркость не менее 300–500 кд/м 2 », — сказал доц. Ти. «Наше волокно SHINE имеет рекордную яркость 1068 кд/м 2 , что значительно превышает пороговое значение и делает его хорошо заметным даже в хорошо освещенных помещениях».
Гидрогелевый слой волокна самовосстанавливается за счет переформирования химических связей в условиях окружающей среды, в то время как никелевый сердечник и электролюминесцентный слой восстанавливают структурную и функциональную целостность за счет дипольных взаимодействий, вызванных нагревом при температуре 50 градусов Цельсия.
«Что еще важнее, процесс восстановления восстанавливает более 98% первоначальной яркости волокна, гарантируя, что оно сможет выдерживать механические нагрузки после ремонта», — добавил доц. Ти. «Эта возможность поддерживает повторное использование поврежденных и впоследствии самовосстанавливающихся волокон, что делает изобретение гораздо более устойчивым в долгосрочной перспективе».
Волокно SHINE также имеет магнитное срабатывание, обеспечиваемое его никелевой сердцевиной. Это свойство позволяет манипулировать волокном с помощью внешних магнитов.
«Это интересное свойство, поскольку оно позволяет создавать такие приложения, как излучающие свет мягкие роботизированные волокна, способные маневрировать в ограниченном пространстве, выполнять сложные движения и передавать оптические сигналы в режиме реального времени», — сказал доктор Фу Сюэмэй, первый автор статьи.
Раскрытие новых взаимодействий человека и робота
Волокно SHINE можно вязать или ткать, создавая «умные» текстильные изделия, которые излучают свет и легко восстанавливаются после разрезания, добавляя носимым устройствам элемент долговечности и функциональности.
Благодаря своему внутреннему магнитному приведению в действие, само волокно может также функционировать как мягкий робот, способный излучать свет, самовосстанавливаться, перемещаться в замкнутых пространствах и подавать оптические сигналы даже после полного разрыва. Кроме того, волокно может использоваться в интерактивных дисплеях, где его магнетизм допускает динамические изменения рисунка, которые облегчают оптическое взаимодействие и сигнализацию в темноте.
Заглядывая вперед, команда планирует усовершенствовать точность магнитного срабатывания волокна для поддержки более ловких роботизированных приложений. Они также изучают возможность вплетения сенсорных возможностей — таких как способность определять температуру и влажность — в светоизлучающие ткани, полностью изготовленные из волокон SHINE.