發(fā)光纖維。東華大學供圖

穿上一身由發(fā)光纖維織就的衣服，你就是街頭最“亮”的仔。

但是，傳統(tǒng)發(fā)光纖維總是離不開芯片和電池，這就讓相應的紡織產(chǎn)品體積更大、分量更重，很難做得柔軟、輕盈。

近日，東華大學科研團隊在《科學》上發(fā)表了一篇有趣的論文。他們研發(fā)了一款集無線能量采集、信息感知與傳輸?shù)裙δ苡谝惑w的新型智能纖維。這種“黑科技”纖維能聚集大氣中耗散的電磁能量并產(chǎn)生電信號，不需額外電源，只需人體輕輕碰觸就能發(fā)光發(fā)亮。

植根傳統(tǒng)，結(jié)出創(chuàng)新果實

隨著科技的不斷發(fā)展，智能可穿戴設備逐漸成為人們生活的一部分。這些設備不僅可以作為服飾，還能發(fā)揮健康監(jiān)測、遠程醫(yī)療和人機交互等功能。

相較于傳統(tǒng)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，是理想的可穿戴設備載體。

位于上海的東華大學，歷史可追溯至1912年由實業(yè)家張謇創(chuàng)辦的紡織染傳習所，在紡織、材料等學科領(lǐng)域有著深厚的積累。時代的變遷對“紡織”這個傳統(tǒng)學科提出了更高的要求。如今，東華大學正致力于賦予紡織纖維材料嶄新的內(nèi)涵，為航天航空、重大建筑工程、環(huán)境保護等領(lǐng)域提供支持。

這次發(fā)表于《科學》的成果，也是智能纖維領(lǐng)域結(jié)出的一枚碩果。

據(jù)研究人員介紹，當前，世界上的智能纖維開發(fā)多基于所謂的“馮·諾依曼架構(gòu)”，即以硅基芯片作為信息處理核心開發(fā)各種電子纖維功能模塊，如信號采集的傳感纖維、信號傳輸?shù)膶щ娎w維、信息顯示的發(fā)光纖維、能量供應的發(fā)電纖維等。盡管這些功能模塊可組合制成織物形態(tài)，但對芯片和電池的依賴性強，織物的體積、重量和剛性都比較大，難以同時滿足人們對紡織品功能性和舒適性的需求。

而這一次，東華大學科研團隊開創(chuàng)性地提出了“非馮·諾依曼架構(gòu)”的新型智能纖維，將能量采集、信息感知、信號傳輸?shù)裙δ芗�成于單根纖維中，并通過編織制成了不依賴芯片和電池的智能紡織品。

無線發(fā)電，點亮智慧生活

在記者面前，東華大學材料科學與工程學院博士研究生楊偉峰把一小塊織物放在電磁波發(fā)射裝置旁邊，織物上有智能纖維制作的格子狀刺繡。只要用手指輕輕劃過這塊刺繡，就能看到像俄羅斯方塊一樣閃爍的光點。

“不插電”就能發(fā)光發(fā)電，這背后的奧秘究竟是什么？

在日常生活中，電磁場和電磁波無處不在，散布在環(huán)境中的電磁能量就是這種新型纖維的無線驅(qū)動力。當人體接觸到智能纖維時，就相當于承擔了能量交互載體的角色，開辟了一條便捷的能量“通道”，讓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。

這種“人體耦合”的新型能量交互機制，能在不知不覺中、沒有任何額外能耗地讓新型纖維發(fā)光發(fā)電。

楊偉峰介紹，這款新型纖維具有3層鞘芯結(jié)構(gòu)，采用的均是市面上比較常見的原材料——芯層為感應交變電磁場的纖維天線，即鍍銀尼龍纖維；中間層為提高電磁能量耦合容量的介電層，即BaTiO3 復合樹脂；外層為電場敏感的發(fā)光層，即ZnS復合樹脂。

由于成本低廉，而且纖維和織物的加工都能夠采用成熟的工藝實現(xiàn)，因此，盡管這是一項新技術(shù)，卻已經(jīng)具備了量產(chǎn)能力。

纖維材料改性國家重點實驗室（東華大學）研究員侯成義介紹：“這種纖維能夠應用到服裝服飾、布藝裝飾等日用紡織品中。當與人體接觸時，它們通過發(fā)光進行可視化的傳感、交互甚至高亮照明，同時還能對人體不同姿態(tài)動作產(chǎn)生獨特的無線信號，進而對智能家電等電子產(chǎn)品進行無線遙控。這些新穎的功能有望拓展電子產(chǎn)品的應用場景，甚至改變?nèi)藗冎腔凵�活的方式�?rdquo;

“這項研究涉及材料、信息、紡織等多個學科。”東華大學材料科學與工程學院研究員張青紅說，“學科交叉融合是當前科研創(chuàng)新的新趨勢，我們在平時的教學實踐中，特別注重鼓勵引導學生聚焦學術(shù)前沿，開展多學科交叉融合創(chuàng)新研究，這樣才能產(chǎn)出更多具有突破性的成果。”

同行評價：創(chuàng)立新型交互方式

《科學》還邀請美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校以及麻省理工學院的專家對該成果進行了評述報道，評述與論文同期刊發(fā)。

評述指出，該成果有望改變?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)域的應用具有重要的啟發(fā)意義。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，有望促進人體物理交互研究基礎(chǔ)模型的發(fā)展。

記者了解到，東華大學先進功能材料課題組一直致力于智能纖維材料與器件的研究，從2012年研究石墨烯導電纖維開始，到2016年研發(fā)出電致變色纖維，再到2018年搭建成首條電致變色和力致發(fā)電纖維生產(chǎn)線，最終實現(xiàn)連續(xù)化、規(guī)�；�制備。隨后，團隊又相繼研發(fā)出可連續(xù)制備的傳感纖維、發(fā)光纖維、調(diào)溫纖維……一系列成果為深化智能纖維領(lǐng)域研究奠定了基礎(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收集能量，并以此驅(qū)動更多功能，包括顯示、變形、運算、人工智能等。相信在不久的將來，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。”該課題組組長、纖維材料改性國家重點實驗室（東華大學）教授王宏志說。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adk3755

（來源：中國科學報）