突破！智能纤维不再依赖芯片电池
来源:解放日报 作者:徐瑞哲 时间:2024-04-06 点击:
东华大学科研原创成果登上《科学》杂志，已具备编织成衣的新质生产力特征
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一件看似面料普通的衣服，当手指在衣物表面任意滑过，它的“显示区域”就留下了“光的指印”——一个又一个像素点；而织造这件服装的那一根根纤维，摸起来与纺线并无二致，当像蜻蜓点水一样接触到水时，却能被瞬间点亮。
北京时间4月5日凌晨，这项中国科研人员取得的智能纤维原创成果登上国际学术顶刊《科学》。当期杂志还为此专门配发美国科学家的评述文章，认为这有望改变人与环境以及人与人之间的交互方式，对功能性纤维的开发以及智能纺织品在不同领域的应用具有重要的启发意义。
从智能手表到智能眼镜等，智能可穿戴设备逐渐成为生活的一部分，脑机接口甚至成为身体的一部分。智能可穿戴设备在健康监测、远程医疗和人机交互等领域发挥着越来越重要的作用。然而，可穿戴上身“设备”的舒适性、复用性、安全性等问题仍然存在。相较于传统刚性的半导体元件或柔性薄膜器件等，由智能纤维编织而成的电子纺织品具有更好的透气性和柔软度，被视为理想的可穿戴设备载体。
目前，智能纤维开发多基于“冯·诺依曼架构”，即以硅基芯片作为信息处理核心，开发各种电子纤维的功能模块，如信号采集的传感纤维、信号传输的导电纤维、信息显示的发光纤维、能量供应的发电纤维等。尽管这些功能单元可经过组合制成织物的形态，但这种复杂的多模块集成技术还面临一系列挑战——现阶段的智能纺织品必须依赖芯片和电池，体积、重量和刚性大，难以同时满足人们对纺织品的穿戴需求。
来自东华大学材料科学与工程学院的先进功能材料课题组在《科学》上发表的论文提出了基于“人体耦合”的能量交互机制，并成功研发“非冯·诺伊曼架构”的新型智能纤维，有效地简化了固有的硬件结构，将能量采集、信息感知、信号传输等功能集成于单根纤维中，让智能纺织品不再依赖芯片和电池。
个中奥秘何在？事实上，日常生活中，电磁场和电磁波无处不在，正如W i-Fi信号等，散布在环境中的这些电磁能量就是新型纤维的无线驱动力。而这些能量又通过可作为“导体”的人体“传递”到纤维上，也就是说，原本在大气中耗散的电磁能量优先进入纤维、人体、大地组成的回路，促成了“人体耦合”的能量交互新机制。
从微观上看，“这款新型纤维具有三层鞘芯结构，所采用的都是市面上比较常见的原材料。”论文第一作者、东华大学材料科学与工程学院博士研究生杨伟峰告诉记者，可以利用现成的成熟材料“自组装”智能纤维：最核心的芯层是镀银尼龙纤维，构成了感应交变电磁场的纤维天线；中间层是提高电磁能量耦合容量的介电层，外层则是对电场敏感的发光层——这两层分别为钛酸钡和硫化锌的无机复合树脂。他表示，“原材料成本低，纤维和织物的加工都能用成熟的工艺实现，已具备量产能力。”
这样的智能纤维及其织物，应用场景充满想象空间，从触控发光的遥控器到织物显示的触摸屏，甚至无线指令传输的游戏机上。论文通讯作者之一、侯成义研究员表示，“这种新型纤维运用到服装服饰、布艺装饰等日用纺织品中，当它们与人体接触时，通过发光进行可视化的传感、交互甚至高亮照明，同时它们还能对人体不同姿态动作产生独特的无线信号，进而对智能家电等电子产品进行无线遥控。”
来自纤维材料改性国重实验室的课题组组长王宏志教授表示，最近十多年来，团队相继研发出可连续制备的传感纤维、发光纤维、调温纤维等，一系列成果为深化智能纤维领域研究打下基础。“下一阶段工作，我们将深入研究如何让这种新型纤维更有效地从空间中收集能量，并以此驱动实现更多功能，包括显示、变形、运算、人工智能等。”
同期，《科学》还邀请美国伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校、麻省理工学院的专家对这项成果进行评述。他们认为，在基础研究方面，因为该智能纤维和纺织品能够在不干扰人们日常活动的情况下“不知不觉地”大规模采集身体触觉数据，因此能够更高效和便捷地收集人体与外界交互过程中的物理信息，这有望影响人体物理交互研究基础模型的发展。
责任编辑：日升
