智慧型紡織品的展望-製造技術面

製造技術1:刺繡

規模化生產可以說是智慧材料和穿戴式裝置領域面臨的最大挑戰,要作到這點,首先需要建立起一個強大而透明的供應鏈,同時生產上的細節也需要改進才能達到重大突破。刺繡機械製造商ZSK已開發出許多刺繡工法,包含刺繡導電紗線和自動放置RFID晶片與LED的技術。Moss刺繡技術被證明在肌肉和神經的生物醫學與電療法中十分有效,方法是透過將導電紗線壓在皮膚上使接觸的表面積得以增加;ZSK的另一項新開發則是一種將傳統電路板以機械方式嵌入到紡織品上,使紡織品之間具有導電機能的工法。自動化和連結強度的提升是一項重大突破,隨著電子元件尺寸的不斷減小,該公司看見將元件安裝到刺繡亮片上,並且嵌入精密感測器的市場潛力,紡織品的導電機能特別容易受到環境影響,例如機械(磨損、洗衣)以及化學(汗水、濕氣),需以多層結構和封裝提供保護。

未來五年市場展望

將來可能會出現新一代的電子紡織品,以纖維或紗線等級的自動化技術將電子產品嵌入到紡織品中。長遠來看,這種技術將可以同時產出多項不同機能與外觀的紡織品,進而減少製造時間。

 

製造技術2:靜電紡絲

靜電紡絲是使用強力電場將聚合物溶液拉出並製成奈米纖維,這種技術已經存在將近一個世紀,此法製成的奈米纖維在規模化製造方面已取得商業上的成功,並於近期因為它在軟性電子產品中的潛力而受到關注。除了導電性之外,以這種方式製成的奈米纖維還具有高孔隙率、柔韌性和相對較大的表面積等特性。靜電紡絲生產的軟性電子產品包含透明電極、導體、電晶體、光電子元件、感測器和能源裝置等。目前靜電紡絲常用的工法和形式主要有六種:單一半導體奈米纖維;纏結多孔奈米纖維片;對齊奈米纖維陣列;紗線;臨時模板和加固體。靜電紡絲的多樣化特性,使得軟性或可拉伸的透明電極能用於製造電池、太陽能電池、軟性觸控螢幕、電子生理感測器和LED等應用。

考慮到靜電紡絲的潛力,美國加州史丹佛大學的研究人員在2016年發表了一篇論文,提出新的材料和製造技術可能在開發多機能類皮膚電子產品中發揮作用,這些電子產品能夠增強大腦和機器之間的連結,讓皮膚與身體之間能夠進行訊號傳輸。日本研究人員看到了靜電紡絲應用在人體內部的潛力,並認為:「生物相容性聚合物的使用,能讓靜電紡絲可以作為理想的底層材料,用於製造直接與人體組織、器官或細胞互相連結的軟性/可拉伸電子設備。」為了探索靜電紡絲的潛力,德國紡織與纖維研究所(DITF)一直在開發一種將靜電紡絲與3D印刷結合的方法,試圖將該法新增到製造流程當中,他們認為這是一種新的方式,能夠結合硬質和軟性結構,讓人體植入再生體成為可能。

未來五年市場展望

靜電紡絲可能會進一步與其他技術和製造工法相結合,尤其高度專業化的軟性電子產品。長期來看,該技術或許將會持續與軟性混合電子(FHE)領域密切相關。

 

製造技術3:穿戴式裝置的客製化3D印刷

美國亞利桑那大學BIO5研究所的研究人員開發了一種穿戴式裝置的3D印刷醫療級技術,可對穿戴者的身體進行掃描。助理教授Philipp Gutruf認為這項研究可提供一種全新的方式,能透過無線電源直接為用戶客製化裝置,並且無需充電即可運作。

研究人員以生物共生來描述此裝置:「這種3D印刷、以雷射製造的彈性體,是一種生物共生裝置,它能做到無黏合劑介面,並具有高機能、無線射頻能量採集的功能,使其能夠以連續、無線且無電池的方式,支援多模式、多裝置且高傳真生物感測的家庭環境,並且無需用戶進行操作」。這種3D印刷技術能夠將柔軟且不易變形的彈性體彼此結合,成為一個軟性電子設備,以形成高度複雜的結構,該技術可以透過多種不同的方法進行身體掃描,包括MRI、CT掃描和智慧手機成像。

研究人員相信,由於這種生物共生裝置是為每個穿戴者量身訂作的,它們能夠更加適應穿戴者的溫度、壓力或其他健康與健身指標的變化;並且這項無線穿戴式裝置以盡可能不顯眼的方式進行設計,僅使用一個小型電池元件來為佩戴者提供電源,以防佩戴者離開了充電器的範圍。

未來五年市場展望

此技術的初始產品可能相對簡單,目的是為了確保技術的有效性並取得用戶回饋。長遠來看,這種3D印刷技術在醫療、健身和其他領域具有製造出高度複雜穿戴式裝置的潛力。