CN113674896A - 柔性导电纤维、柔性导线及其制备方法、可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供柔性导电纤维，包括导电线，所述导电线外表面设有信号屏蔽层；所述导电线形成电信号传输通道；所述信号屏蔽层用以屏蔽外界磁场干扰所述导电线的电信号传输工作。纤维本体通过导电线传输电信号，在导电线外周设置信号屏蔽层，信号屏蔽层用以屏蔽外界磁场对导电线信号传输的干扰，并能够保护微弱信号，提高信号抗干扰性、确保信号质量。纤维本体用于制备穿戴设备本体的导线本体，替代直接采用导电线应用于穿戴设备本体的方案，避免外界磁场干扰了导电线的信号传输。

Description

柔性导电纤维、柔性导线及其制备方法、可穿戴设备

技术领域

本发明涉及柔性电子技术领域，尤其涉及一种柔性导电纤维、柔性导线及其制备方法、可穿戴设备。

背景技术

随着人们对健康的看重，人们越来越关注自身生理健康状态，可穿戴设备由此进入市场。随着可穿戴设备的兴起，柔性电子学也受到越来越广泛的关注。其中，导线的柔性也是本领域人员不断努力研究的方向之一。目前导线的有的采用金属丝结构制得，其柔性有限，抗弯折性能较差；有的采用柔性纤维导线来提供柔性，其传输电信号的稳定性受到外界电磁场的影响。

发明内容

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现。

本发明提供柔性导电纤维，包括纤维本体，所述纤维本体包括导电线，所述导电线外表面设有信号屏蔽层；

所述导电线形成电信号传输通道；所述信号屏蔽层用以屏蔽外界磁场干扰所述导电线的电信号传输工作。

优选地，所述导电线包括柔性导电芯及设于所述柔性导电芯外周表面的第一绝缘层。

优选地，所述柔性导电芯包括若干导电丝；所述导电丝包括纤维丝及设于所述纤维丝外表面的金属导电层；若干导电丝加捻缠绕形成柔性导电芯。

优选地，所述纤维丝包括芳纶纤维或PBO纤维；所述柔性导电芯包括100-300根所述导电丝。

优选地，所述信号屏蔽层为镀银层。

优选地，所述信号屏蔽层覆盖所述导电线整个外周表面；

或，所述信号屏蔽层呈网格状，覆盖所述导电线外周表面；

或，所述信号屏蔽层呈阵列排布于所述导电线外周表面。本发明第二个目的是提供一种柔性导线，包括用于穿戴设备本体的导线本体；所述导线本体包括：

如上所述的柔性导电纤维；

编织线，包括至少两纱线；至少两纱线相互编织形成具有若干编织眼孔的所述编织线；

所述纤维本体呈弯曲状穿插于若干所述编织线的编织眼孔，以与若干所述编织线编织呈一体结构。

优选地，所述纤维本体数目为2根-4根。

本发明第三个目的是提供制备如上所述的一种柔性导线的方法，包括以下步骤：

S1、于导电线外形成所述信号屏蔽层，制得所述纤维本体

S2、至少两纱线相互编织形成具有若干编织眼孔的所述编织线；

S3、所述纤维本体呈弯曲状穿插于若干所述编织线的编织眼孔，编织制得所述导线本体。

本发明第四个目的是提供一种可穿戴设备，包括至少一如上所述的一种柔性导线，采用导线本体实现电性连接。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供柔性导电纤维，纤维本体通过导电线传输电信号，在导电线外周设置信号屏蔽层，信号屏蔽层用以屏蔽外界磁场对导电线信号传输的干扰，并能够保护微弱信号，提高信号抗干扰性、确保信号质量。纤维本体用于制备穿戴设备本体的导线本体，替代直接采用导电线应用于穿戴设备本体的方案，避免外界磁场干扰了导电线的信号传输。

在一优选方案中，纤维本体从内至外依次设置的柔性导电芯、第一绝缘层、信号屏蔽层、第二绝缘层。柔性导电芯既具有良好的柔性又具有良好的电学性能，用以传输电信号；此外，外侧纤维丝向内侧纤维丝挤压产生向心力，导电丝内的纤维丝在沿其长度方向获得摩擦性，增加导电丝的强度。第一绝缘层用以防止柔性导电芯与信号屏蔽层接触而发生短路。第二绝缘层用以防止信号屏蔽层接触其他电子元件或电器或人体汗液而引入传导干扰。即纤维本体具有良好的导电性、柔性、耐拉伸、耐折叠、抗信号干扰，使用安全性好、耐水性，屏蔽外界磁场以保证信号传输稳定性。

本发明提供一种柔性导线，将纤维本体编织于编织线内形成导线本体，纤维本体呈弯曲状分布，以提高导线本体的伸缩性，进而保证导线本体的弹性，使导线本体具有良好的的导电性、柔性、耐拉伸、耐折叠、抗信号干扰。导线本体初始电阻率为0.1-10s/cm；50％形变拉伸1000次，电阻率变化小于5％。

本上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的纤维本体的结构剖视图；

图2为本发明的导电丝的结构剖视图；

图3为本发明的导线的结构正视图；

图4为本发明的导线的照片；

图5为本发明的导线本体的制备方法的工艺流程图；

图6为本发明的纤维本体的制备方法的工艺流程图；

图7为本发明的一实施例中穿戴设备本体内表面的正视图；

图8为本发明的一实施例中信号处理装置、信号采集装置的连接关系示意图。

图中：100、穿戴设备本体；

10、信号处理装置；

20、电极组件；

30、导线本体；31、纤维本体；311、导电丝；3111、纤维丝；3112、金属导电层；312、第一绝缘层；313、信号屏蔽层；314、第二绝缘层；

40、服装；

50、温度传感器；

60、呼吸传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1

本发明提供柔性导电纤维，如图1所示，包括纤维本体31，所述纤维本体31包括导电线，所述导电线外表面设有信号屏蔽层313；

所述导电线形成电信号传输通道；所述信号屏蔽层313用以屏蔽外界磁场干扰所述导电线的电信号传输工作。具体地，在穿戴设备领域，采用的导线结构通常为包覆有绝缘材料的导电体，绝缘材料用以防止导电体接触其余导电物体，这样的导线结构信号传输易受外界磁场干扰。通过在导电线外表面设置信号屏蔽层313，用以屏蔽外界磁场对柔性导电芯信号传输的干扰，能够保护微弱信号，提高信号抗干扰性、确保信号质量。

在一实施例中，如图1所示，所述导电线包括柔性导电芯及设于所述柔性导电芯外周表面的第一绝缘层312。导电芯既具有良好的柔性又具有良好的电学性能，用以传输电信号；第一绝缘层312用以分隔柔性导电芯与信号屏蔽层313，以免柔性导电芯与信号屏蔽层313接触而发生短路，避免人体汗液导电引入的传导干扰。

在一实施例中，如图1、图2所示，所述柔性导电芯包括若干导电丝311；所述导电丝311包括纤维丝3111及包覆于所述纤维丝3111外表面的金属导电层3112；若干导电丝311加捻缠绕形成柔性导电芯。具体地，纤维丝3111具有良好的柔性，进而赋予导电丝311柔性性能；通过若干具有良好柔性的导电丝311加捻缠绕形成柔性导电芯，形成的柔性导电芯既具有良好的柔性又具有良好的电学性能，用以传输电信号；此外，外侧纤维丝向内侧纤维丝挤压产生向心力，导电丝311内的纤维丝在沿其长度方向获得摩擦性，增加导电丝311的强度。

在一实施例中，所述纤维丝3111包括芳纶纤维或PBO纤维，直径为10μm-50μm；所述柔性导电芯包括100-300根所述导电丝311。具体地，芳纶纤维具有超高强度、高模量、耐高温、耐酸耐碱、重量轻、抗老化的特点；PBO纤维具有高强度、耐热难燃，具有良好的机械性能及化学性能。芳纶纤维或PBO纤维军可在反复穿戴或反复水洗下保证较长使用寿命。后续加工制得的导线本体30耐高温，即可适用于高温焊接工艺，也适用于缝纫或导电漆粘接，便于导线本体30与电子元件的连接，适用范围广。

在一实施例中，所述金属导电层3112为镀银层，厚度为0.1μm-2μm。镀银层易加工且厚度易控制，可采用化学镀处理形成镀银层。金属导电层3112厚度为0.1μm-2μm，制得的导电丝311具有良好的导电性；且通过控制金属导电层3112厚度，一方面避免导电丝311过细，而使得形成的柔性导电芯阻抗较高，导致后续采集的信号衰弱；另一方面避免导电丝311过粗，使得通过若干导电丝311加捻缠绕形成的柔性导电芯直径较大，导致后续布线时产生较大寄生电容而导致信号衰弱。

在一实施例中，所述信号屏蔽层313为金属屏蔽层，厚度为3μm-5μm。优选地，所述信号屏蔽层313镀银层，镀银层易加工且厚度易控制，可采用化学镀处理形成镀银层。

在一实施例中，所述信号屏蔽层313覆盖所述导电线整个外周表面；

或，所述信号屏蔽层313呈网格状，覆盖所述导电线外周表面；

或，所述信号屏蔽层313呈阵列排布于所述导电线外周表面。

具体地，当所述信号屏蔽层313覆盖所述导电线整个外周表面，提高抗磁场干扰能力。当所述信号屏蔽层313呈网格状，抗磁场干扰能力良好，且减轻纤维本体31重量。当所述信号屏蔽层313呈阵列排布于所述导电线外周表面，减轻纤维本体31重量且具有一定的磁场抗干扰能力。

在一实施例中，所述第一绝缘层312和/或所述第二绝缘层314选自硅橡胶层、聚氨酯层、聚酰胺层、聚乙烯层、聚酰亚胺层中至少一种。具体地，硅橡胶具有优异的电绝缘性能、耐电晕性、耐电弧性、防水性；聚氨酯具有绝缘绝热、防水性；聚酰胺具有优异的电绝缘性能、耐气候性、防水性及力学性能；聚乙烯具有良好的电绝缘性能、防水性；聚酰亚胺具有优异的电绝缘性能、良好的防水性。采用任意一种材料在柔性导电芯外层形成第一绝缘层312，起到绝缘作用的同时，隔绝外界水汽与柔性导电芯的接触，使得纤维本体31可反复水洗。采用任意一种材料在信号屏蔽层313外层形成第二绝缘层314，起到绝缘作用的同时，隔绝外界水汽与信号屏蔽层313的接触，以保证信号屏蔽层313的正常使用。此外，第二绝缘层314还起到防护、缓冲的作用。两道绝缘层结构确保纤维本体31的绝缘防水性能，耐水性，且避免人体汗液导电引入的传导干扰。

进一步地，所述第一绝缘层312和/或所述第二绝缘层314厚度为200μm-300μm，保证所述第一绝缘层312和/或所述第二绝缘层314绝缘性能的同时降低纤维本体31的厚度，以便于纤维本体31的小型化设计，进而便于采用纤维本体31制得的导线本体30在穿戴设备本体100内走线进行电性连接的同时降低导线本体30带给用户的异物感。

具体地，在一实施例中，如图1、图2所示，纤维本体31包括：

导电丝311，包括纤维丝3111及包覆于所述纤维丝3111外表面的金属导电层3112；若干导电丝311加捻缠绕形成柔性导电芯。

第一绝缘层312，包覆于所述柔性导电芯外周表面；

信号屏蔽层313，包覆于所述第一绝缘层312外周表面；所述第一绝缘层312用以分隔所述柔性导电芯与所述信号屏蔽层313；

第二绝缘层314，包覆于所述信号屏蔽层313外周表面，用以分隔所述信号屏蔽层313与外界电子元件；

所述柔性导电芯形成电信号传输通道；所述信号屏蔽层313用以屏蔽外界磁场干扰所述柔性导电芯的电信号传输工作。

在柔性导电芯外依次包覆第一绝缘层312、信号屏蔽层313、第二绝缘层314，第二绝缘层314用以分隔信号屏蔽层313与外界，以免纤维本体31接触其他电子元件或电器时，信号屏蔽层313直接接触其他电子元件或电器时而发生电性传输，影响了纤维本体31及其他电子元件或电器的正常运行。即纤维本体31通过从内至外依次设置的柔性导电芯、第一绝缘层312、信号屏蔽层313、第二绝缘层314，使得纤维本体31具有良好导电性、柔性，屏蔽外界磁场以保证信号传输稳定性。

实施例2

本发明提供一种柔性导线，如图1至图4所示，包括用于穿戴设备本体100的导线本体30；所述导线本体30包括：

如上所述的柔性导电纤维；

编织线32，包括至少两纱线；至少两纱线相互编织形成具有若干编织眼孔的所述编织线32；

所述纤维本体31呈弯曲状穿插于若干所述编织线32的编织眼孔，以与若干所述编织线32编织呈一体结构。

具体地，至少两纱线通过并丝机固定在编织机上，通过编织机进行编织，编织密度根据生产工艺而定，编织形成的编织线32内具有若干编织眼孔(图中未示出)。纤维本体31通过依次穿过编织线32上的若干编织眼孔以编织形成导线本体30。纤维本体31呈弯曲状固定于编织线32，导线本体30随着穿戴设备本体100拉伸或扭曲时，纤维本体31可随之伸展或扭曲，进而提高导线本体30的弹性，导线本体30抗折叠、抗拉伸，适用于柔性穿戴设备。

进一步地，纤维本体31呈波浪状延伸，结构对称，使得导线本体30各部位电阻值均匀，信号传输性能稳定。

在一实施例中，所述纤维本体31数目为2根-4根，以保证制得导线本体30具有良好的导电性。为了导线本体30的小型化设计，纤维本体31的数目为两个。

在一实施例中，为了导线本体30的小型化设计，编织线32的数目为两个，能够稳固固定呈弯曲状延伸的纤维本体31。

在一实施例中，为了保证导线本体30的弹性，编织线32采用具有弹性的纱线进行编织。进一步地，纱线为氨纶线，弹性好。

本发明提供的导线本体30，耐水性、耐拉伸、耐折叠、抗信号干扰。纤维本体31从内至外依次设置柔性导电芯、第一绝缘层312、信号屏蔽层313、第二绝缘层314时，制得的导线本体30初始电阻率为0.1-10s/cm；50％形变拉伸1000次，电阻率变化小于5％。与电子元件的电性连接方式包括但不限于高温焊接或缝纫连接或导电漆连接工艺，适用范围广。

实施例3

本发明提供制备如上所述的一种柔性导线的方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1、于导电线外形成所述信号屏蔽层313，制得所述纤维本体31；

S2、至少两纱线相互编织形成具有若干编织眼孔的所述编织线32；

S3、所述纤维本体31呈弯曲状穿插于若干所述编织线32的编织眼孔，编织制得所述导线本体30。

进一步地，如图6所示，纤维本体31的制备包括以下步骤：

S11、纤维丝3111表面经化学镀处理以形成金属导电层3112，制得所述导电丝311；

S12、若干所述导电丝311一端固定，另一端回转，经加捻缠绕，制得所述柔性导电芯；

S13、所述柔性导电芯从含有熔融绝缘材料的模具中通过，经冷却以形成第一绝缘层312的包覆结构，制得导电线；

S14、在所述导电线外周表面镀金属层，形成信号屏蔽层313；

S15、再次经熔融绝缘材料包覆、冷却，以形成第二绝缘层314，制得纤维本体31。

在一实施例中，导电丝311的制备包括以下步骤：

化学镀银处理：将整束纤维丝3111置入无水乙醇和纯净水的混合液中,每升混合液中含有5-25g的无水乙醇；在60-80℃条件下粗化30-90min，然后用水清洗至中性；经粗化处理的纤维丝束置入体积浓度为20-100m1/L的酸溶液中，在40-80℃条件下水解10-80min；然后用水清洗至中性，经水解处理的纤维丝束置入按每升混合液中含有5-20ml的盐酸、0.1-1g的氯化钯、10-30g的氯化亚锡和纯净水的混合液中，在40-80℃条件下钯盐活化10-30min；经钯盐活化处理的纤维丝束置入按每升混合液中含有10-100ml的盐酸、1-6g的次亚磷酸钠和纯净水的混合液中，在室温条件下还原1-5min，然后用水清洗至中性；经还原处理的纤维丝束置入按每升化学镀银液中含有1-5g的硝酸银、0.02-0.5g的氢氧化钠、1.5-10ml的氨水、0.lg-5g的络合剂、3-20g的还原剂和纯净水的化学镀银液中，在该化学镀银液温度为30-60℃条件下化学镀银30-90min，然后用水清洗至中性，风干或烘干即制得导电丝311；

其中，所述的酸溶液选自盐酸、硝酸、硫酸溶液中至少一种；所述的络合剂为乙二胺四乙酸单钠；所述的还原剂选自葡萄糖、酒石酸钠、酒石酸钾钠中至少一种。

进一步地，导电丝311的制备还包括采用电镀或磁控溅射处理或真空蒸镀处理，加厚纤维丝表面的镀银层，以增加导电丝311的导电性。

在一实施例中，第一绝缘层312的包覆具体包括以下步骤：

准备绝缘材料颗粒，置于模具内并加热熔融，将柔性导电芯以1m/s-5m/s的速度通过该模具，使得柔性导电芯外周表面包覆熔融的绝缘材料，经自然冷却或通风冷却，使得熔融的绝缘材料冷却固化形成第一绝缘层312。

在一实施例中，信号屏蔽层313采用磁控溅射处理或真空蒸镀处理形成。

在一实施例中，第二绝缘层314的包覆具体包括以下步骤：

准备绝缘材料颗粒，置于模具内并加热熔融，将步骤S4制得的半成品以1m/s-5m/s的速度通过该模具，表面包覆熔融的绝缘材料，经自然冷却或通风冷却，使得熔融的绝缘材料冷却固化形成第二绝缘层314。

本发明提供的制备方法工艺简单、易操作，适用于批量生产。制得的导线本体30具有良好的导电性、柔性、强度、抗信号干扰性。

实施例4

本发明提供一种可穿戴设备，如图1至图8所示，包括穿戴设备本体100，穿戴设备本体100包括至少一如上所述的一种柔性导线，采用导线本体30实现电性连接。

在一实施例中，穿戴设备本体100采用服装40作为载体，可穿戴性强。

在一实施例中，

服装40上包括：

信号采集装置，用以采集人体生物电信号；

信号处理装置10，用以处理信号采集装置采集的人体生物电信号。信号处理装置10与人体皮肤之间设有柔性布，以避免信号处理装置10直接接触人体皮肤而导致用户不舒适。

在一实施例中，信号采集装置包括五个用以检测心电信号的电极组件20、一个用以检测当前体温的温度传感器50、一个用以检测呼吸应变的呼吸传感器60，呼吸传感器60为带状并设置于两侧面料之间；其中，五个电极组件20用以采集心电信号，靠近胸口设置的两电极组件20还用以检测胸阻抗；其余三电极组件20分别对应于左下肋骨、右下腹、左下腹部位设置。导线本体30数目为九根，其中五根来自五个电极组件20。信号处理装置10接收并处理五个电极组件20采集的心电信号、温度传感器50采集的温度电信号、呼吸传感器60采集的呼吸应变电信号、两个靠近胸口的电极组件20采集的胸阻抗电信号，以实现三导心电、一导呼吸、一导体温的监测；其中胸阻抗复用三导心电中的两电极。

信号处理装置还包括主控模块、存储模块、蓝牙模块、AD模块、电源模块。当信号处理装置与服装40信号采集装置通过导线电性连接，信号采集装置采集到的人体生物电信号至AD模块。具体地，AD模块与信号采集装置通过导线电性连接，用以接收信号采集装置采集到的人体生物电信号并将人体生物电信号进行模数转换，转换为数字信号。主控模块分别与AD模块、存储模块、蓝牙模块、电源模块电性连接。主控模块用以接收AD模块处理后的数字信号并经过数据分析和运算转换为用户需要的数据形式。存储模块用以将主控模块处理后形成的数据存储起来。蓝牙模块通过无线信号与远程智能终端设备连接，用以将主控模块处理后的数据发送至远程智能终端设备。电源模块用以为其余模块供电。

以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.柔性导电纤维，包括纤维本体(31)，其特征在于，所述纤维本体(31)包括导电线，所述导电线外表面设有信号屏蔽层(313)；

所述导电线形成电信号传输通道；所述信号屏蔽层(313)用以屏蔽外界磁场干扰所述导电线的电信号传输工作。

2.根据权利要求1所述的柔性导电纤维，其特征在于，所述导电线包括柔性导电芯及设于所述柔性导电芯外周表面的第一绝缘层(312)。

3.根据权利要求2所述的柔性导电纤维，其特征在于，所述柔性导电芯包括若干导电丝(311)；所述导电丝(311)包括纤维丝(3111)及设于所述纤维丝(3111)外表面的金属导电层(3112)；若干导电丝(311)加捻缠绕形成柔性导电芯。

4.根据权利要求3所述的柔性导电纤维，其特征在于，所述纤维丝(3111)包括芳纶纤维或PBO纤维；所述柔性导电芯包括100-300根所述导电丝(311)。

5.根据权利要求1所述的柔性导电纤维，其特征在于，所述信号屏蔽层(313)为镀银层。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的柔性导电纤维，其特征在于，所述信号屏蔽层(313)覆盖所述导电线整个外周表面；

或，所述信号屏蔽层(313)呈网格状，覆盖所述导电线外周表面；

或，所述信号屏蔽层(313)呈阵列排布于所述导电线外周表面。

7.一种柔性导线，包括用于穿戴设备本体(100)的导线本体(30)；其特征在于，所述导线本体(30)包括：

如权利要求1-6任意一项所述的柔性导电纤维；

编织线(32)，包括至少两纱线；至少两纱线相互编织形成具有若干编织眼孔的所述编织线(32)；

所述纤维本体(31)呈弯曲状穿插于若干所述编织线(32)的编织眼孔，以与若干所述编织线(32)编织呈一体结构。

8.根据权利要求7所述的一种柔性导线，其特征在于，所述纤维本体(31)数目为2根-4根。

9.制备如权利要求7或8所述的一种柔性导线的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、于导电线外形成所述信号屏蔽层(313)，制得所述纤维本体(31)；

S2、至少两纱线相互编织形成具有若干编织眼孔的所述编织线(32)；

S3、所述纤维本体(31)呈弯曲状穿插于若干所述编织线(32)的编织眼孔，编织制得所述导线本体(30)。

10.一种可穿戴设备，其特征在于，包括至少一如权利要求7或8所述的一种柔性导线，采用导线本体(30)实现电性连接。

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