每經編(bian)輯｜畢陸名

你見過穿(chuan)(chuan)上(shang)身就能發光發電(dian)的(de)(de)(de)纖維嗎？你期待智能可穿(chuan)(chuan)戴設備實現哪(na)些功能？對于未來的(de)(de)(de)人(ren)機交互場(chang)景，你又是如(ru)何暢想的(de)(de)(de)呢(ni)？

據東華大學官微，近日，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》）上發表了題為“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”的研究論文。該研究提出了基于“人體耦合”的能量交互機制，并成功研發出集無線能量采集、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光顯示、觸控等人機交互功能，這一突破性成果為人與環境的智能交互開辟了新可能，具有廣泛應用前景。

圖片來源：Science期刊插圖

據悉，這一(yi)突破性成果為(wei)人與(yu)環(huan)境的智(zhi)能交互開辟了新(xin)可能。東華大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)材料科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)與(yu)工(gong)(gong)程學(xue)(xue)(xue)院博(bo)士研究生楊偉(wei)峰為(wei)論文(wen)第一(yi)作者，纖維材料改(gai)性國(guo)家重點(dian)實驗室（東華大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)）王宏志(zhi)教(jiao)授、侯成義研究員，以(yi)及(ji)東華大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)材料科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)與(yu)工(gong)(gong)程學(xue)(xue)(xue)院張青紅研究員為(wei)論文(wen)通(tong)訊(xun)作者。該(gai)研究工(gong)(gong)作由(you)東華大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)作為(wei)唯一(yi)通(tong)訊(xun)單(dan)位(wei)主導完成，合(he)作單(dan)位(wei)包括新(xin)加坡(po)國(guo)立大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)與(yu)安徽農(nong)業大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)。

隨著科技不斷發展，智能可穿戴設(she)(she)備(bei)(bei)正逐漸成(cheng)為我們生活的(de)一(yi)部分(fen)，并在健(jian)康監測、遠程醫療和(he)人(ren)機交互等(deng)領域發揮著越(yue)來越(yue)重要的(de)作用。相較于傳統剛性(xing)半導體(ti)元件(jian)或(huo)柔性(xing)薄膜器件(jian)等(deng)，由(you)智能纖維編(bian)織而成(cheng)的(de)電子紡(fang)織品具(ju)有更好的(de)透氣(qi)性(xing)和(he)柔軟度，被視為理想的(de)可穿戴設(she)(she)備(bei)(bei)載體(ti)。

目前，智能(neng)(neng)纖(xian)維(wei)的(de)(de)開發(fa)多基于“馮(feng)·諾(nuo)依(yi)曼(man)架構(gou)”，即以(yi)硅基芯(xin)片作為信息處(chu)理核心開發(fa)各種電(dian)子纖(xian)維(wei)功能(neng)(neng)模塊，如信號采(cai)集(ji)的(de)(de)傳(chuan)(chuan)感纖(xian)維(wei)、信號傳(chuan)(chuan)輸的(de)(de)導電(dian)纖(xian)維(wei)、信息顯示的(de)(de)發(fa)光(guang)纖(xian)維(wei)、能(neng)(neng)量供應的(de)(de)發(fa)電(dian)纖(xian)維(wei)等。盡管這些功能(neng)(neng)單(dan)元可組合(he)制成織(zhi)物(wu)形態，但(dan)這種復雜(za)的(de)(de)多模塊集(ji)成技術還面臨著一系列挑戰。現(xian)階(jie)段(duan)的(de)(de)智能(neng)(neng)紡織(zhi)品仍依(yi)賴于芯(xin)片和電(dian)池，體積(ji)、重量和剛性大，難(nan)以(yi)同時滿足人們對紡織(zhi)品功能(neng)(neng)性和舒(shu)適性的(de)(de)需求。

“人體耦合”智能纖維的工作機制及其與傳統電子織物的對比。圖片來源：東華大學

該(gai)研究中，東華(hua)大學科研團隊(dui)開創性地(di)提出了(le)“非馮(feng)·諾(nuo)依曼(man)架(jia)構”的(de)(de)新型智(zhi)能纖(xian)維(wei)，有效(xiao)地(di)簡(jian)化了(le)可穿戴設備和(he)(he)智(zhi)能紡(fang)織(zhi)(zhi)品的(de)(de)硬(ying)件結構，優化了(le)它們(men)的(de)(de)可穿戴性。該(gai)工(gong)作實現了(le)將(jiang)能量采集、信息感知、信號傳(chuan)輸等功能集成(cheng)于單根纖(xian)維(wei)中，并通過編織(zhi)(zhi)制成(cheng)不依賴芯片和(he)(he)電池的(de)(de)智(zhi)能紡(fang)織(zhi)(zhi)品。

“不(bu)插電(dian)”就能(neng)(neng)(neng)發光發電(dian)的纖(xian)(xian)(xian)維，其(qi)中到(dao)底有(you)怎樣的奧(ao)妙呢？在(zai)(zai)我(wo)們(men)的日常生活中，電(dian)磁場和電(dian)磁波(bo)無處不(bu)在(zai)(zai)，散(san)布在(zai)(zai)環境中的這些電(dian)磁能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)就是這種(zhong)新型(xing)纖(xian)(xian)(xian)維的無線驅動力。而這些能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)又是如何“傳遞”到(dao)纖(xian)(xian)(xian)維上面的呢？答案就是我(wo)們(men)的身體。該(gai)工作(zuo)提出把(ba)人體作(zuo)為能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)交(jiao)互(hu)的載體，開辟了一(yi)條便捷的能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)“通道”，原本在(zai)(zai)大氣中耗散(san)的電(dian)磁能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)優先進入纖(xian)(xian)(xian)維、人體、大地組成(cheng)的回路，恰(qia)恰(qia)就是這一(yi)“日用而不(bu)覺”的原理(li)，促成(cheng)了“人體耦合”的新型(xing)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)交(jiao)互(hu)機制。在(zai)(zai)添(tian)加特定功能(neng)(neng)(neng)材(cai)料以(yi)后，僅僅經過人體觸碰，這種(zhong)新型(xing)纖(xian)(xian)(xian)維就會展現(xian)發光發電(dian)的“神(shen)奇一(yi)幕”。

人體耦合電磁能量收集示意圖。圖片來源：東華大學

圖片來源：東華大學

圖片來源：東華大學

“這款新型纖(xian)維具(ju)有三層(ceng)(ceng)鞘芯(xin)結(jie)構(gou)，所采用的(de)均是市面上比較常見的(de)原(yuan)材料。芯(xin)層(ceng)(ceng)為感(gan)應交變電磁場(chang)的(de)纖(xian)維天線（鍍銀尼龍纖(xian)維）、中間層(ceng)(ceng)為提高電磁能(neng)量(liang)耦合(he)容量(liang)的(de)介電層(ceng)(ceng)（BaTiO3復合(he)樹脂(zhi)）、外(wai)層(ceng)(ceng)為電場(chang)敏(min)感(gan)的(de)發光層(ceng)(ceng)（ZnS復合(he)樹脂(zhi)）。原(yuan)材料成本低(di)，纖(xian)維和(he)織物的(de)加工(gong)都能(neng)夠用成熟的(de)工(gong)藝實現，已具(ju)備(bei)量(liang)產能(neng)力(li)。”楊(yang)偉峰(feng)說。

該工作(zuo)還展(zhan)示了這種(zhong)基(ji)于人體耦合原理的(de)智能纖(xian)維的(de)幾種(zhong)應用：在不使用芯片和電(dian)池的(de)情況下，實現了纖(xian)維觸控發(fa)光、織物顯示以(yi)及無線指令傳(chuan)輸等(deng)功能。

侯成義研(yan)究員表(biao)示，“這種新型(xing)纖維能(neng)夠(gou)運用到服裝服飾、布(bu)藝(yi)裝飾等日用紡織品(pin)中，當它們(men)與(yu)人體接觸時，通過發光進行(xing)可視化的傳感、交互甚(shen)至高亮(liang)照明，同(tong)時它們(men)還能(neng)對(dui)人體不(bu)同(tong)姿態動作產生獨特的無(wu)(wu)線信號，進而對(dui)智(zhi)能(neng)家電等電子(zi)(zi)產品(pin)進行(xing)無(wu)(wu)線遙控。這些新穎的功能(neng)有望拓展電子(zi)(zi)產品(pin)的應(ying)用場景，甚(shen)至改變人們(men)智(zhi)慧生活的方式。”

每日(ri)經濟新(xin)聞綜合(he)東華大學官(guan)微

封面(mian)圖片來源：東華大學