可穿戴设备，又一篇Science！

01 研究背景 在纺织品中加入加压流体回路的策略可以在一个方便的可穿戴设备中实现肌肉支持、温度调节和触觉反馈。然而，传统的刚性泵及其相关的噪音和振动不适合大多数可穿戴设备。 

02 研究问题 本研究报告了可拉伸纤维形式的流体泵。这使得压力源可以直接集成到纺织品中，从而实现不受限制的可穿戴流体学。本研究的泵由嵌在薄弹性体管壁内的连续螺旋电极组成，并通过电荷喷射的电流体动力学安静地产生压力。每一米纤维产生100千帕的压力，流速可能接近每分钟55毫升，这相当于每公斤15瓦的功率密度。本研究通过演示可穿戴的触觉、机械活性织物和体温调节纺织品说明设计自由度的好处。  

▲图1|一种纤维式电动流体动力泵 

要点： 

1、以可穿戴和便携的方式产生有意义的流体动力（压力和流速的乘积）仍然是一个巨大的挑战。尽管最近报道了几个完全由顺应性材料制成的“软”泵，但其低水平的功率密度阻碍了无束缚的可佩戴应用。此外，这些泵都没有可以编织成纺织品的外形尺寸，也没有展示出人类尺寸应用所需的可扩展性。本研究提出了一种纤维形式的流体泵（图1A）。该泵是一个灵活的、可拉伸的管子，直径在几毫米左右，可以产生连续的流体流动，没有任何移动部件或振动。纤维产生的压力和流速是其长度（图1E）和直径（图2B）的函数。

2、纤维泵能够以一种与可穿戴设备内在兼容的形式泵送液体（图1F）。在直接在管子内产生流动时（图1G），不需要外部泵，流体系统可以被大大简化。这给可穿戴设备的设计自由度带来了巨大的改善。泵可以分布在设备的整个体积中，减少损失，提高舒适度，并使先进的多泵可穿戴设备无需阀门和连接器。纤维泵的分布式性质意味着泵的重量可以与传统流体回路中所需要的管子的重量相提并论。在纤维泵的情况下，管子就是泵，而且实际上泵没有额外的重量损失。 

3、这些泵是通过电荷喷射电流体力学（EHD）的原理进行操作的。嵌入泵的聚氨酯管壁的是两个连续的螺旋形电极，由铜线（直径80微米）制成。在这些电极之间施加高达8千伏/毫米的直流电场，使管内的电介质液体电离，在液体分子接受电子时产生带负电的离子。这些离子被加速推向正极，在那里放电。当它们移动时，它们使周围的液体分子运动起来，形成一个净流体流动（图1c）。螺旋电极的不对称间距确保在给定的电压极性下，有一个方向的净流动。颠倒施加电压的极性将扭转流动的方向。  

▲图2|纤维泵的表征 

要点： 

1、这种相同的制造方法可用于创建不同的泵的几何形状。确切的结构是由心轴周围的TPU长丝的紧密包装决定的，这取决于长丝的数量、直径和芯轴的直径。改变心轴的直径会导致不同直径的泵（图2A）。然而，由于结构是螺旋状的，泵的直径不能独立改变；结构的一些其他方面也必须改变。对于图2所示的泵，通过改变每个直径的细丝数量，螺旋角一直保持在~60°。因此，在不同情况下，螺旋线的间距是不同的。 

2、缩小泵的直径会增加最大压力，但会降低最大流速（图2B，i）。本研究的泵的最大功率密度为15.2瓦/千克，发生在直径2.3毫米（内径1.5毫米）（图2B，ii），尽管每种直径的最佳螺旋角和间距可能不同。电极间距可以独立于直径进行控制，由铜线之间的TPU丝数来设定。在本研究中的所有情况下，使用了两根丝，使（垂直的）电极间距为800微米。本研究们预计，泵的结构可以进一步优化，从而导致性能的进一步提高。 

3、相对于外加电场，泵的最大压力呈非线性变化（图2C），这在电荷喷射型EHD泵中是很常见的。一旦超过5毫升/分钟的值，最大流速就会与外加电场呈线性变化（图2D），这种行为也见于其他EHD泵。峰值功率密度和效率都随着泵长度（图2E）和电场的增加而增加。在化学沉积物钝化电极之前，纤维泵可以连续泵送长达6天。这比任何其他报道的EHD泵，不管是软的还是其他的，都要长得多，而且通过仔细选择液体和电极材料，该性能可能会进一步改善。  

▲图3|使用纤维泵驱动的执行器 

要点： 

1、这些泵能够产生可观的流速和压力，同时保持灵活性，这允许在基于纺织品和可穿戴的应用中的多种应用，这些应用以前需要一个外部的传统泵来执行。本研究在机械柔性纤维和纺织品（图3）以及用于热管理和触觉反馈的温度调节可穿戴设备（图4）的背景下展示了纤维泵的功能。 

2、可以通过使用纤维状的人工肌肉来实现驱动，其概念类似于逆向气动人工肌肉（IPAMs），但用液体而不是气体来操作。这些逆液压人工肌肉（IHAMs）可以直接与纤维泵集成（图3A）。IHAM由一个弹性管组成，管壁内嵌有螺旋状的非弹性线。这条线起到了径向约束的作用，因此当IHAM被纤维泵加压时，该装置不会径向膨胀，而是沿其长度方向延伸（图3B）。由于致动器的内部体积小（约300微升）和光纤泵的高性能，其致动速度很快（图3C）。 

3、一根光纤施加的最大等距轴向力差为~0.5 N，而且致动器可以平行使用以增加力的输出（图3D）。对施加的电压的反应是可重复的，具有低滞后性（图3E）。纤维IHAMs的快速时间响应有利于超越准静态系统的操作（图3F），在那里它们可以继续运行几千次（图3G）。  

▲图4|使用纤维泵进行热管理 

要点： 

1、本研究还展示了纤维泵在热活性纺织品中的两种应用。图4A显示的是一个热触觉手套，这是一类用来产生不同的温度感觉以增强虚拟现实中的沉浸式设备。通常依赖于刚性的热电陶瓷，本研究展示了如何通过使用柔软和灵活的纤维泵来实现热触觉手套。该手套由一个冷冻Novec 7100液体的储存器和五个独立控制的纤维泵组成，并且缠绕在手指上。激活一个泵后，冰冷的液体迅速流向手指（图4B），在2秒内将泵冷却到液体温度，并向使用者提供热触觉刺激。一旦泵的电压被移除，并且没有来自储液器的持续流动的冷冻流体，泵就会恢复到室温。在虚拟现实环境中，这允许以一定程度的时空分辨率来模拟物体的温度和热属性：代表虚拟物体的物理物体可以让人感觉到冷，而这种感觉只通过与该物体接触的那些手指来感受（图4C）。用任何其他的泵来实现同样的效果都需要几个单独的泵或一系列的阀门，阻碍了可穿戴性。 

2、同样的原理可以应用于整个服装（图4D），本研究展示了利用四段纤维泵在躯干和手臂周围输送冷冻液体的例子。这些泵用电池供电，创造了一个可以在任何环境和体育活动中使用的无绳系统。除了实现无绳操作外，泵的低能耗意味着焦耳加热与冷冻液体提供的冷却率相比可以忽略不计。 

03 结语 

本研究展示了一种柔性纤维形式的流体泵，能够产生特殊的压力和流速。这一进展使得僵硬和笨重的外部泵可以从可穿戴的流体设备中移除，有效地将管道变成了泵。这些纤维的操作和制造的可扩展性、简单性和稳定性使传统泵技术无法实现的应用成为可能。