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電纜棉紙：智能纖維領域取得重要突破

發(fā)布時間：2024-04-06 瀏覽：7363次

上海4月5日電 (記者許婧)東華大學材料科學與工程學院先進功能電纜棉紙材料課題組研發(fā)出集無線能量采集、信息感知與傳輸等功能于一體的新型智能纖維，由其編織制成的智能紡織品無需依賴芯片和電池便可實現發(fā)光顯示、觸控等人機交互功能。

　　這一突破性成果為人與環(huán)境的智能交互開辟了新可能，具有廣泛應用前景。相關研究成果5日發(fā)表于科學(Science)雜志。

4月5日，東華大學材料科學與工程學院先進功能材料課題組在Science(科學)上發(fā)表了題為“Single　body-coupled　fiber　enables　chipless　textile　electronics”的研究論文。　東華大學供圖

　　隨著科技不斷發(fā)展，智能可穿戴設備正逐漸成為我們生活的一部分，并在健康監(jiān)測、遠程醫(yī)療和人機交互等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。相較于傳統剛性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，智能纖維的開發(fā)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(fā)各種電子纖維功能模塊，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(fā)光纖維、能量供應的發(fā)電纖維等。不過，現階段的智能紡織品仍依賴于芯片和電池，體積、重量和剛性大，難以同時滿足人們對紡織品功能性和舒適性的需求。

　　該研究中，東華大學科研團隊開創(chuàng)性地提出了“非馮·諾伊曼架構”的新型智能纖維，有效地簡化了可穿戴設備和智能紡織品的硬件結構，優(yōu)化了它們的可穿戴性。該工作實現了將能量采集、信息感知、信號傳輸等功能集成于單根纖維中，并通過編織制成不依賴芯片和電池的智能紡織品。

　　“不插電”就能發(fā)光發(fā)電的纖維，其中到底有怎樣的奧妙呢？答案就是我們的身體。該研究提出把人體作為能量交互的載體，開辟了一條便捷的能量“通道”，原本在大氣中耗散的電磁能量優(yōu)先進入纖維、人體、大地組成的回路，恰恰就是這一“日用而不覺”的原理，促成了“人體耦合”的新型能量交互機制。在添加特定功能材料以后，僅僅經過人體觸碰，這種新型纖維就會展現發(fā)光發(fā)電的“神奇一幕”。

　　“這款新型纖維具有三層鞘芯結構，所采用的均是市面上比較常見的原材料。原材料成本低，纖維和織物的加工都能夠用成熟的工藝實現，已具備量產能力。”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說。

　　該研究還展示了這種基于人體耦合原理的智能纖維的幾種應用：在不使用芯片和電池的情況下，實現了纖維觸控發(fā)光、織物顯示以及無線指令傳輸等功能。纖維材料改性國家重點實驗室(東華大學)研究員侯成義表示，這些新穎的功能有望拓展電子產品的應用場景，甚至改變人們智慧生活的方式。

　　課題組組長王宏志教授介紹，下一階段課題組將深入研究如何讓這種新型纖維能夠更有效地從空間中收集能量，并以此驅動更多功能，包括顯示、變形、運算、人工智能等，相信在不久的未來，智能服裝能做更多事，人會變得更加強大，對于環(huán)境也會有更好的適應性。

　　同期，Science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該成果進行了評述報道。該成果被認為有望改變人與環(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域的應用具有重要的啟發(fā)意義。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(guī)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，這將有望影響人體物理交互研究用基礎模型的發(fā)展。

　　楊偉峰為論文第一作者，纖維材料改性國家重點實驗室(東華大學)王宏志教授、侯成義研究員，以及東華大學材料科學與工程學院張青紅研究員為論文通訊作者。該研究工作由東華大學作為唯一通訊單位主導完成，合作單位包括新加坡國立大學與安徽農業(yè)大學。