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，當手指在衣物表面任意滑過，它的“顯示區域”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成果登上國際學術頂刊《科學》。當期雜志還為此專門配發美國科學家的評述文章，認為這有望改變人與環境以及人與人之間的交互方式，對功能性纖維的開發以及智能紡織品在不同領域的應用具有重要的啟發意義。
從智能手表到智能眼鏡等，智能可穿戴設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。智能可穿戴設備在健康監測、遠程醫療和人機交互等領域發揮著越來越重要的作用。然而，可穿戴上身“設備”的舒適性、復用性、安全性等問題仍然存在。相較于傳統剛性的半導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備載體。
目前，智能纖維開發多基于“馮·諾依曼架構”，即以硅基芯片作為信息處理核心，開發各種電子纖維的功能模塊，如信號采集的傳感纖維、信號傳輸的導電纖維、信息顯示的發光纖維、能量供應的發電纖維等。盡管這些功能單元可經過組合制成織物的形態，但這種復雜的多模塊集成技術還面臨一系列挑戰——現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。
來自東華大學材料科學與工程學院的先進功能材料課題組在《科學》上發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“非馮·諾伊曼架構”的新型智能纖維，有效地簡化了固有的硬件結構，將能量采集、信息感知、信號傳輸等功能集成于單根纖維中，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，散布在環境中的這些電磁能量就是新型纖維的無線驅動力。而這些能量又通過可作為“導體”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先進入纖維、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構，所采用的都是市面上比較常見的原材料。”論文第一作者、東華大學材料科學與工程學院博士研究生楊偉峰告訴記者，可以利用現成的成熟材料“自組裝”智能纖維：最核心的芯層是鍍銀尼龍纖維，構成了感應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光層——這兩層分別為鈦酸鋇和硫化鋅的無機復合樹脂。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，已具備量產能力。”
這樣的智能纖維及其織物，應用場景充滿想象空間，從觸控發光的遙控器到織物顯示的觸摸屏，甚至無線指令傳輸的游戲機上。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，當它們與人體接觸時，通過發光進行可視化的傳感、交互甚至高亮照明，同時它們還能對人體不同姿態動作產生獨特的無線信號，進而對智能家電等電子產品進行無線遙控。”
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，團隊相繼研發出可連續制備的傳感纖維、發光纖維、調溫纖維等，一系列成果為深化智能纖維領域研究打下基礎。“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，并以此驅動實現更多功能，包括顯示、變形、運算、人工智能等。”
同期，《科學》還邀請美國伊利諾伊大學厄巴納—香檳分校、麻省理工學院的專家對這項成果進行評述。他們認為，在基礎研究方面，因為該智能纖維和紡織品能夠在不干擾人們日常活動的情況下“不知不覺地”大規模采集身體觸覺數據，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模型的發展。（徐瑞哲）
責任編輯：余璇
