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液晶温控纤维:捲窗帘、撑乳房、拥抱狗、掀灯罩

2023年11月12日0:06 未解之谜网

“教授”趴在办公室的地板上,百无聊赖。材料科学家、互动设计师、工匠与工艺研究人员,整日于麻省理工学院媒体实验室(MIT Media Lab),忙进忙出,没空搭理。作为论文第一作者Jack Forman的爱犬,身兼创作谬思,“教授”可能从没想过,自己终将获邀贡献学术,并且荣登致谢名单。

第一作者的爱犬“教授”。图/参考资料1,Figure 15a(CC BY 4.0)

FibeRobo

“教授”备受冷落的这段时日,研究团队一直忙于开发织物纤维:穿戴手套、实验袍和护目镜,隔着通风柜,以液晶元(mesogen)为主要原料,适量加入能感光、增加黏性、降低驱动温度,以及延长有效期限等的各种化学物质。然后,将调制好的液晶弹性体(liquid crystal elastomer;LCE),灌进精心设计的机器。利用液晶分子在常温下整齐排列,遇热就乱了阵脚,导致收缩的特性,生产出来的FibeRobo纤维,长度能为温度所控制。制作步骤及机器各部位的功能,大致如下:

左二为FibeRobo机器示意图,最右是实体。图/参考资料1,Figure 3(CC BY 4.0)

可调控温度的针筒帮浦,将原料加温至约莫34°C,降低其黏性后,推挤出来。(图片:Step 1的上半段。)

用紫外线照射,使纤维稍微硬化,避免蜷曲。(图片:Step 1的下半段。)机器外围的黄色压克力板,能隔绝99%的紫外线,保护使用者。透过调光器,则可依需求适度调整光线强度。避免光线太弱,使纤维断掉;或者是光线太强,而结块并堵塞针筒的开口。

镊子夹住纤维两端,把它拉得又直又细,再沾点矿物油,比较容易舒展。(图片:Step 2。)

经过滑轮的纤维,于紧拉的张力下,再照一次紫外线,加强硬化。(图片:Step 3。)滑轮转动的速度愈快,纤维就愈细。

纤维被捲到机器最顶端的线轴上。(图片:Step 4。)

从线轴上取下纤维,撒点滑石粉,降低摩擦力,方便以后用机器纺织。等布料完成,再以温热的肥皂水,洗去滑石粉。

通电与收缩

FibeRobo纤维搭配别种材料,可以创造不同的效果。然而传统多股对绞的作法,会扭曲FibeRobo,使它收缩的特质变得难以预测。于是,研究团队改将FibeRobo置于中央,在外面缠绕其他材料。比方说,拿以蚕丝包覆铜芯的利兹线(litz wire)来捆它。铜的电阻低,升温快,能迅速使FibeRobo遇热收缩。FibeRobo与利兹线合体后,接上2.5安培、8.5伏特的电,8秒即缩短37%;断电30秒,则又恢复原状。不过,这种混合纤维倾向堆成一团,不适用于针织、纺织与刺绣。研究团队建议,最好分开制作,再搭配使用。

a. & b. 不同材质的线,缠在一起。FibeRobo纤维与利兹线合体:c. 没通电;d. 通电收缩。图/参考资料1,Figure 5(CC BY 4.0)

另外,他们也尝试用导电涂料浸染纤维。如同调制LCE原料时,身穿防护衣着,隔着通风柜,先将FibeRobo泡入含有重量百分浓度7%碳黑(carbon black)的甲苯(toluene)溶液里。8小时后取出,置于80°C的烤箱中,烘烤1个钟头。如此一来,FibeRobo纤维就能通电,其电阻会跟着长度的伸缩变化。拉长变细的时候,电阻较高。

成品展示

研究团队用FibeRobo纤维跟其他材料,做了些模型和成品,来展示实际用途。以下是其中几个例子:

FibeRoBra运动胸罩:当体温随运动逐渐上升,FibeRoBra便开始收缩,给予乳房无钢圈、零负担的支持。体温下降后,布料又回到放松的状态。

图/参考资料1,Figure 8(Edited;CC BY 4.0)

FibeRoGlow灯具:开灯后升高的温度,令灯罩缓缓上捲,仿佛打开花瓣。全程费时,大约5分钟。

图/参考资料1,Figure 9(CC BY 4.0)

ShadeRobo窗帘:窗帘不该因为阳光强烈,气温上升,就自动捲起来。因此,驱动此窗帘所需的温度,被设计得比较高。布料只有在上面的利兹线通电时,才会有反应。4伏特、2.5安培的电,得花2分钟,才能将这个5 x 5厘米的小窗帘捲好。冷却1分钟后,又会完全摊平。

图/参考资料1,Figure 12(CC BY 4.0)

FurbeRobo遥控狗背心:论文的第一作者Jack Forman,为他的爱犬“教授”,织了一件小背心。本文开头的那张照片,即是它的定装照。如果宠物在办公室悲鸣,于实验室忙碌的主人,就可以透过蓝芽,启动背心上的控制器。此时,连接12伏特、2.5安培电池的利兹线,会通电并发热,造成驱动温度不高的布料,轻微收缩。就像给狗温暖的拥抱,减轻它的分离焦虑(separation anxiety)。不过,基于动物实验伦理等因素,后来示范布料收缩的照片,都是穿在布偶上拍摄,“教授”再次被晾在一旁。

图/参考资料1,Figure 15(CC BY 4.0)

成本与环保

2023年麻省理工学院的团队,在美国计算机协会(Association of Computing Machinery)主办的使用者介面软件与技术(User Interface Software and Technology)研讨会上,发表了这篇介绍FibeRobo的论文。研究团队认为,他们的成果具有商业化的潜力。毕竟跟雷同的技术比起来,制作FibeRobo的成本相对低廉:机器的针筒帮浦约美金250元;装满5、10、20或30毫升原料的针筒,每个至多4元;而生产直径0.5mm的纤维,每米约0.2元。单人操作单机,一天或一个下午就能产出750米的纤维;亦有报道指称是每日1公里。不过,FibeRobo不可回收,尽管某些新兴LCE纤维可生物分解,有时搭配的导电材质,仍是废料处理的阻碍。因此,在这方面还有改善的空间。

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