突破！智能纖維不再依賴芯片電池
來源：解放日報 時間：2024-04-07 11:20
一件看似面料普通的衣服，當(dāng)手指在衣物表面任意滑過，它的“顯示區(qū)域”就留下了“光的指印”——一個又一個像素點；而織造這件服裝的那一根根纖維，摸起來與紡線并無二致，當(dāng)像蜻蜓點水一樣接觸到水時，卻能被瞬間點亮。
北京時間4月5日凌晨，這項中國科研人員取得的智能纖維原創(chuàng)成果登上國際學(xué)術(shù)頂刊《科學(xué)》。當(dāng)期雜志還為此專門配發(fā)美國科學(xué)家的評述文章，認(rèn)為這有望改變?nèi)伺c環(huán)境以及人與人之間的交互方式，對功能性纖維的開發(fā)以及智能紡織品在不同領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的啟發(fā)意義。
從智能手表到智能眼鏡等，智能可穿戴設(shè)備逐漸成為生活的一部分，腦機接口甚至成為身體的一部分。智能可穿戴設(shè)備在健康監(jiān)測、遠(yuǎn)程醫(yī)療和人機交互等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，可穿戴上身“設(shè)備”的舒適性、復(fù)用性、安全性等問題仍然存在。相較于傳統(tǒng)剛性的半導(dǎo)體元件或柔性薄膜器件等，由智能纖維編織而成的電子紡織品具有更好的透氣性和柔軟度，被視為理想的可穿戴設(shè)備載體。
目前，智能纖維開發(fā)多基于“馮·諾依曼架構(gòu)”，即以硅基芯片作為信息處理核心，開發(fā)各種電子纖維的功能模塊，如信號采集的傳感纖維、信號傳輸?shù)膶?dǎo)電纖維、信息顯示的發(fā)光纖維、能量供應(yīng)的發(fā)電纖維等。盡管這些功能單元可經(jīng)過組合制成織物的形態(tài)，但這種復(fù)雜的多模塊集成技術(shù)還面臨一系列挑戰(zhàn)——現(xiàn)階段的智能紡織品必須依賴芯片和電池，體積、重量和剛性大，難以同時滿足人們對紡織品的穿戴需求。
來自東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的先進(jìn)功能材料課題組在《科學(xué)》上發(fā)表的論文提出了基于“人體耦合”的能量交互機制，并成功研發(fā)“非馮·諾伊曼架構(gòu)”的新型智能纖維，有效地簡化了固有的硬件結(jié)構(gòu)，將能量采集、信息感知、信號傳輸?shù)裙δ芗捎趩胃w維中，讓智能紡織品不再依賴芯片和電池。
個中奧秘何在？事實上，日常生活中，電磁場和電磁波無處不在，正如W i-Fi信號等，散布在環(huán)境中的這些電磁能量就是新型纖維的無線驅(qū)動力。而這些能量又通過可作為“導(dǎo)體”的人體“傳遞”到纖維上，也就是說，原本在大氣中耗散的電磁能量優(yōu)先進(jìn)入纖維、人體、大地組成的回路，促成了“人體耦合”的能量交互新機制。
從微觀上看，“這款新型纖維具有三層鞘芯結(jié)構(gòu)，所采用的都是市面上比較常見的原材料?！闭撐牡谝蛔髡?、東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生楊偉峰告訴記者，可以利用現(xiàn)成的成熟材料“自組裝”智能纖維：最核心的芯層是鍍銀尼龍纖維，構(gòu)成了感應(yīng)交變電磁場的纖維天線；中間層是提高電磁能量耦合容量的介電層，外層則是對電場敏感的發(fā)光層——這兩層分別為鈦酸鋇和硫化鋅的無機復(fù)合樹脂。他表示，“原材料成本低，纖維和織物的加工都能用成熟的工藝實現(xiàn)，已具備量產(chǎn)能力?！?/p>
這樣的智能纖維及其織物，應(yīng)用場景充滿想象空間，從觸控發(fā)光的遙控器到織物顯示的觸摸屏，甚至無線指令傳輸?shù)挠螒驒C上。論文通訊作者之一、侯成義研究員表示，“這種新型纖維運用到服裝服飾、布藝裝飾等日用紡織品中，當(dāng)它們與人體接觸時，通過發(fā)光進(jìn)行可視化的傳感、交互甚至高亮照明，同時它們還能對人體不同姿態(tài)動作產(chǎn)生獨特的無線信號，進(jìn)而對智能家電等電子產(chǎn)品進(jìn)行無線遙控。”
來自纖維材料改性國重實驗室的課題組組長王宏志教授表示，最近十多年來，團(tuán)隊相繼研發(fā)出可連續(xù)制備的傳感纖維、發(fā)光纖維、調(diào)溫纖維等，一系列成果為深化智能纖維領(lǐng)域研究打下基礎(chǔ)。“下一階段工作，我們將深入研究如何讓這種新型纖維更有效地從空間中收集能量，并以此驅(qū)動實現(xiàn)更多功能，包括顯示、變形、運算、人工智能等?！?/p>
同期，《科學(xué)》還邀請美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校、麻省理工學(xué)院的專家對這項成果進(jìn)行評述。他們認(rèn)為，在基礎(chǔ)研究方面，因為該智能纖維和紡織品能夠在不干擾人們?nèi)粘；顒拥那闆r下“不知不覺地”大規(guī)模采集身體觸覺數(shù)據(jù)，因此能夠更高效和便捷地收集人體與外界交互過程中的物理信息，這有望影響人體物理交互研究基礎(chǔ)模型的發(fā)展。（徐瑞哲）
責(zé)任編輯：余璇
