作者:李晨阳 来源:中国科学报 发布时间:2024/4/5 21:31:31
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空穴来“电”?黑科技智能纤维点亮生活

 

穿上一身由发光纤维织就的衣服,你就是街头最“亮”的仔。

但是传统的发光纤维,总是离不开芯片和电池,这就让相应的纺织产品体积更大、分量更重,很难做得柔软、轻盈。

4月5日,以纺织、材料、设计学科为特色的东华大学,在顶尖学术期刊《科学》上发表了一篇有趣的论文。研究团队研发了一款集无线能量采集、信息感知与传输等功能于一体的新型智能纤维。这种“黑科技”纤维能聚集大气中耗散的电磁能量并产生电信号,从而不需额外电源,只要人体轻轻碰触,就能发光发亮。

发光纤维

据悉,东华大学材料科学与工程学院博士研究生杨伟峰为论文第一作者,纤维材料改性国家重点实验室(东华大学)教授王宏志、研究员侯成义,以及东华大学材料科学与工程学院研究员张青红为论文通讯作者。该研究工作由东华大学作为唯一通讯单位主导完成,合作单位包括新加坡国立大学与安徽农业大学。

植根传统,结出创新果实

随着科技不断发展,智能可穿戴设备正逐渐成为人们生活的一部分。这些设备不仅可以作为服饰美化人们的精神面貌,还能发挥健康监测、远程医疗和人机交互等功能。

相较于传统刚性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,是理想的可穿戴设备载体。

位于上海的东华大学,历史可追溯至1912年实业家张謇创办的纺织染传习所,在纺织、材料等学科领域有着深厚的积累。时代的变迁,对这个古老传统的学科提出了更新更高的要求,如今的东华大学正致力于赋予纺织纤维材料崭新的内涵,为航天航空、重大建筑工程、环境保护等领域提供支持。

这次发表在《科学》上的成果,也是智能纤维领域结出的一枚硕果。

当前世界上的智能纤维开发,多基于所谓的“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组合制成织物形态,但对芯片和电池的依赖性强,体积、重量和刚性都比较大,难以同时满足人们对纺织品功能性和舒适性的需求。

而这一次,东华大学科研团队开创性地提出了“非冯·诺伊曼架构”的新型智能纤维,将能量采集、信息感知、信号传输等功能集成于单根纤维中,并通过编织制成了不依赖芯片和电池的智能纺织品。

无线发电,点亮智慧生活

在记者面前,论文第一作者杨伟峰把一小块织物放在电磁波发射装置旁边,织物上有智能纤维制作的格子状刺绣。只要用手指轻轻划过这块刺绣,就能看到像俄罗斯方块一样闪烁的光点。

智能纤维织物演示

 “不插电”就能发光发电,背后的奥秘是什么呢?

在我们的日常生活中,电磁场和电磁波无处不在,散布在环境中的电磁能量就是这种新型纤维的无线驱动力。当人体接触到智能纤维时,就相当于承担了能量交互载体的角色,开辟了一条便捷的能量“通道”,让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。

这种“人体耦合”的新型能量交互机制,能在不知不觉中,没有任何额外能耗地,让新型纤维发光发电。

杨伟峰介绍,这款新型纤维具有三层鞘芯结构,所采用的均是市面上比较常见的原材料:芯层为感应交变电磁场的纤维天线(镀银尼龙纤维)、中间层为提高电磁能量耦合容量的介电层(BaTiO3 复合树脂)、外层为电场敏感的发光层(ZnS复合树脂)。

由于成本低廉,而且纤维和织物的加工都能够用成熟的工艺实现,因此尽管是一项新技术,却已经具备了量产能力。

论文通讯作者之一侯成义介绍:“这种纤维能够运用到服装服饰、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。这些新颖的功能有望拓展电子产品的应用场景,甚至改变人们智慧生活的方式。”

“这项研究涉及到材料、信息、纺织等多个学科。”杨伟峰的博士生导师张青红说,“学科交叉融合是当前科研创新的新趋势,我们在平时的教学实践中,特别注意鼓励引导学生聚焦学术前沿,开展多学科交叉融合创新研究,这样才能产出更多具有突破性的成果。”

同行评价:开创新型交互方式 

《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该成果进行了评述报道,评述与论文同期刊发。

评述指出,该成果被认为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。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,这将有望影响人体物理交互研究用基础模型的发展。

东华大学先进功能材料课题组一直致力于智能纤维材料与器件的研究,从2012年研究石墨烯导电纤维开始,到2016年研发出电致变色纤维,再到2018年搭建成了首条电致变色和力致发电纤维生产线,实现连续化、规模化制备;随后,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,……一系列成果为深化智能纤维领域研究奠定了基础。

“下一阶段工作,我们将深入研究如何让这种新型纤维能够更有效地从空间中收集能量,并以此驱动更多功能,包括显示、变形、运算、人工智能等,相信在不久的未来,智能服装能做更多事,人会变得更加强大,对于环境也会有更好的适应性。”该课题组组长王宏志说。

先进功能材料课题组部分师生

(图片均由东华大学提供)

 
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