桌面生物纤维纺丝：一种用于探索生物基纤维及其在可持续智能纺织品设计中应用的开源机器

文献标题

Desktop Biofibers Spinning: An Open-Source Machine for Exploring Biobased Fibers and Their Application Towards Sustainable Smart Textile Design

文献信息

• 主题领域: 智能纺织品、可持续设计、生物基材料
• 关键词: 可持续智能纺织品、生物基材料、纤维、可持续性、数字制造

研究背景与问题

• 问题和挑战:
  1. 智能纺织品的发展将电子设备和纺织品结合，但由于电子废物和纺织废物难以回收，带来了巨大的环境挑战。
  2. 纤维生产过程对许多设计者和创新者来说难以接触，尤其涉及使用生物基材料以替代石油基或合成聚合物。
• 重要性: 纤维是所有织物的基本组成单位，从原料层面进行可持续设计可以对整个纺织品生命周期产生深远影响。
• 研究动机与相关工作:
  • 作者注意到现有的材料设计集中在薄片或模具制造上，较少关注纤维这一基础单元。
  • 人机交互（HCI）领域已探索了许多可持续设计方法（如分解设计与可修复材料），但在纤维层面的研究仍有空缺。

解决方案

• 提出的方法: 开发了一种开源的、低成本的桌面级“生物纤维纺丝机”，可将生物基液态材料（如明胶）转化为定制化纤维。
• 创新之处:
  • 提供一种易于复制和使用的设备，适合设计者和研究者探索纤维设计。
  • 允许用户调整纤维的直径、颜色、强度及其他特性。
  • 设备设计模块化，使其可以灵活调整和扩展以支持更多材料及生产需求。
• 实施步骤:
  1. 准备纺丝溶液：通过混合明胶、水和异丙醇制成纺丝液。
  2. 装载纺丝机：使用G-code软件接口控制，并设置加热器和喷嘴。
  3. 定制纤维属性：调节喷嘴温度、收集器转速等参数生成不同直径和性能的纤维。
  4. 进行纤维后处理：如使用染料、光致变色涂层等方法修改纤维的功能及颜色特性。

研究成果

• 具体成果:
  1. 设备开发: 成功开发了桌面级生物纤维纺丝机，支持低成本探索和生产。
  2. 材料配方: 提供了一系列适用于纺丝的明胶溶液配方。
  3. 实例应用: 展示了一些智能纺织品上的应用，包括可溶解传感器、形状变化的交互织物等。
  4. 启示总结: 提倡在HCI和纺织领域之间建立更多的跨学科合作，强调材料科学的知识对于设计者的重要性。
• 相较于现有技术的优势:
  • 比传统实验室级设备更灵活且成本更低。
  • 对生物基材料的可持续性应用提供了基础级探索。
  • 通过开源平台，促进了知识和工具的共享。
• 实验与评估结果:
  • 对纤维直径、强度、颜色变化及柔韧性进行了多方面实验，并分析了生成不同性能纤维的条件。
  • 使用基于明胶和天然交联剂“京尼平”的纤维达到了最佳的强度和柔韧性。
• 局限性与未来方向:
  • 局限性：
    1. 机器当前操作需依赖G-code命令，技术门槛较高。
    2. 实验集中于明胶材料，未完全探索其他生物基材料的潜力。
    3. 某些应用（如湿度高的环境）中明胶纤维性能受到限制。
  • 未来发展：
    1. 开发用户友好的图形界面以降低操作门槛。
    2. 探索更多材料（如琼脂）的纺丝适用性。
    3. 优化设备以支持更高效的纤维定制，例如可调节喷嘴形状、自动化收集器设置。
    4. 拓展至工业级应用或结合更复杂的纺织生产流程。