纤维流体泵将改变可穿戴技术的游戏规则

当前，许多基于液体的可穿戴辅助技术往往需要一个大而嘈杂的泵。当可穿戴设备需要被拴在无法穿戴的泵上时，便成了一个看似不可调和的矛盾体。为了解决这个矛盾挑战，洛桑联邦理工学院Herbert Shea教授和Michael Smith博士共同报告了一种可拉伸纤维形式的流体泵，以一种优雅而简单的方式解决了这一困境。其相关科研成果以“Fiber pumps for wearable fluidic systems”为题发表在最新一期的《Science》上。

纤维流体泵的制造和性能

“我们展示了世界上第一个纤维形式的泵，其管道会产生自己的压力和流量，”Herbert Shea教授说。“这项工作建立在我们上一代软泵的基础上，那是生产于2019年的世界上第一个可伸缩泵。”Michael Smith博士介绍，“光纤形式使我们能够制造更轻、更强大的泵，这些泵本质上与可穿戴技术更兼容。”

据介绍，纤维流体泵使用电荷注入电流体动力学（EHD）的原理来产生流体流动。其压力源可以直接集成到纺织品中，从而实现不受束缚的可穿戴流体。嵌入泵壁的两个螺旋形电极对特殊非导电液体的分子进行电离和加速。每米纤维产生100千帕的压力，流速可能接近每分钟55毫升，相当于每公斤15瓦的功率密度。离子运动和电极形状产生一个净的前向流体流，从而实现安静、无振动的流动。这个过程只需要一个手掌大小的电源和电池。

纤维流体泵的加工过程，看上去非常简单，但功能实现却着实不简单。作为一种柔性且可拉伸的管子，该泵的直径是毫米级别的，可以在没有任何部件移动或振动的情况下产生连续的流体流动。

纤维产生的压力和流量是其长度和直径的函数，而纤维泵能够以与可穿戴设备固有兼容的外形尺寸泵送液体，直接在管道内产生流量。纤维泵还可以分布在整个设备中，以提高舒适度，实现先进的多泵可穿戴设备。而且，纤维泵在垂直于其轴的每个方向上都很灵活，为集成到可穿戴设备和高度兼容的软执行器中提供了极大的设计自由度。即使在15%的应变下，泵的性能也基本保持不变，这足以满足可穿戴应用的应变水平。在重复的单轴应变下，泵可以承受至少5000次循环至10%的应变，以3 mm的弯曲半径反复弯曲5000次对泵性能没有影响。

纤维流体泵的应用前景

将纤维流体泵应用于新型可穿戴技术中，无疑是令人兴奋的。但是，其应用前景远非仅限于此。据科研学者介绍，流体泵可以让在极端温度环境或治疗环境中工作的人通过衣服循环冷热液体，以帮助控制炎症；对于那些希望优化运动表现的人来说，也是巨大的福音。

另外，该研究还描述了由织物和嵌入式纤维泵制成的人造肌肉，可用于为柔软的外骨骼提供动力，以帮助患者移动和行走；甚至可以通过模拟温度的感觉为虚拟现实世界带来新的维度。比如，由纤维泵制成的热触感手套。单独的纤维泵缝在手套的每个手指上，每个泵都连接到手背上的冷冻液体储液罐；每个纤维泵都可以单独激活，使冷冻流体流经任何选定的手指。在虚拟现实环境中，通过模拟虚拟物体的温度，可可大大增强人们对虚拟环境的沉浸感。

对于纤维流体泵在研发中的不断推进，Michael Smith博士说：“这些泵已经表现良好，我们相信，通过更多的工作，我们可以继续在效率和使用寿命等领域取得更大的进展。”“我们相信这项创新将改变可穿戴技术的游戏规则。” Herbert Shea教授说。