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我國(guó)科學(xué)家研發(fā)出無(wú)需“插電”的發(fā)光發(fā)電纖維

發(fā)表時(shí)間:2024-04-10 10:13:20 作者: 來(lái)源: 瀏覽:次

 

發(fā)光纖維

。東華大學(xué)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(yīng)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(xué)科研團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》上發(fā)表了一篇有趣的論文。他們研發(fā)了一款集無(wú)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(hào),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(shí)

隨著科技的不斷發(fā)展

,智能可穿戴設(shè)備逐漸成為人們生活的一部分
。這些設(shè)備不僅可以作為服飾,還能發(fā)揮健康監(jiān)測(cè)
、遠(yuǎn)程醫(yī)療和人機(jī)交互等功能

相較于傳統(tǒng)剛性半導(dǎo)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(shè)備載體

位于上海的東華大學(xué),歷史可追溯至1912年由實(shí)業(yè)家張謇創(chuàng)辦的紡織染傳習(xí)所

,在紡織
、材料等學(xué)科領(lǐng)域有著深厚的積累。時(shí)代的變遷對(duì)“紡織”這個(gè)傳統(tǒng)學(xué)科提出了更高的要求
。如今
,東華大學(xué)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(hù)等領(lǐng)域提供支持

這次發(fā)表于《科學(xué)》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(dāng)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(hào)采集的傳感纖維、信號(hào)傳輸?shù)膶?dǎo)電纖維
、信息顯示的發(fā)光纖維
、能量供應(yīng)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(duì)芯片和電池的依賴性強(qiáng)
,織物的體積、重量和剛性都比較大
,難以同時(shí)滿足人們對(duì)紡織品功能性和舒適性的需求

而這一次,東華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)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(hào)傳輸?shù)裙δ芗捎趩胃w維中
,并通過(guò)編織制成了不依賴芯片和電池的智能紡織品。

無(wú)線發(fā)電

,點(diǎn)亮智慧生活

在記者面前

,東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(guò)這塊刺繡
,就能看到像俄羅斯方塊一樣閃爍的光點(diǎn)

“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(chǎng)和電磁波無(wú)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(wú)線驅(qū)動(dòng)力
。當(dāng)人體接觸到智能纖維時(shí)
,就相當(dāng)于承擔(dān)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?jī)?yōu)先進(jìn)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(jī)制

,能在不知不覺中
、沒(méi)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(yīng)交變電磁場(chǎng)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(fù)合樹脂;外層為電場(chǎng)敏感的發(fā)光層
,即ZnS復(fù)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(shí)現(xiàn)

,因此
,盡管這是一項(xiàng)新技術(shù),卻已經(jīng)具備了量產(chǎn)能力

纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東華大學(xué))研究員侯成義介紹:“這種纖維能夠應(yīng)用到服裝服飾

、布藝裝飾等日用紡織品中。當(dāng)與人體接觸時(shí)
,它們通過(guò)發(fā)光進(jìn)行可視化的傳感
、交互甚至高亮照明
,同時(shí)還能對(duì)人體不同姿態(tài)動(dòng)作產(chǎn)生獨(dú)特的無(wú)線信號(hào)
,進(jìn)而對(duì)智能家電等電子產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)線遙控。這些新穎的功能有望拓展電子產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景
,甚至改變?nèi)藗冎腔凵畹姆绞健?rdquo;

“這項(xiàng)研究涉及材料

、信息、紡織等多個(gè)學(xué)科
。”東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究員張青紅說(shuō)
,“學(xué)科交叉融合是當(dāng)前科研創(chuàng)新的新趨勢(shì),我們?cè)谄綍r(shí)的教學(xué)實(shí)踐中
,特別注重鼓勵(lì)引導(dǎo)學(xué)生聚焦學(xué)術(shù)前沿
,開展多學(xué)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(píng)價(jià):創(chuàng)立新型交互方式

《科學(xué)》還邀請(qǐng)美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校以及麻省理工學(xué)院的專家對(duì)該成果進(jìn)行了評(píng)述報(bào)道

,評(píng)述與論文同期刊發(fā)。

評(píng)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(duì)功能性纖維的開發(fā)以及智能紡織品在不同領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的啟發(fā)意義
。在基礎(chǔ)研究方面,因?yàn)樵撝悄芾w維和紡織品能夠在不干擾人們?nèi)粘
;顒?dòng)的情況下不知不覺地大規(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(guò)程中的物理信息,有望促進(jìn)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(xué)先進(jìn)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)連續(xù)化
、規(guī)
;苽洹kS后
,團(tuán)隊(duì)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(dòng)更多功能
,包括顯示
、變形、運(yùn)算
、人工智能等
。相信在不久的將來(lái),智能服裝能做更多事
,人會(huì)變得更加強(qiáng)大
,對(duì)于環(huán)境也會(huì)有更好的適應(yīng)性。”該課題組組長(zhǎng)
、纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東華大學(xué))教授王宏志說(shuō)

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

(來(lái)源:中國(guó)科學(xué)報(bào))

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