想象一下，一頂可清洗的帽子可以幫助視障人士感知交通信號燈的變化，或者一件衣服可以在穿著者瀏覽博物館時充當(dāng)導(dǎo)游。
這些不可思議的場景，看似離我們很遙遠(yuǎn)，或許已經(jīng)近在眼前。
來自南洋理工大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)、中國科學(xué)院的研究團(tuán)隊便成功開發(fā)出了這樣一種“黑科技”電子纖維。它可以被編織進(jìn)衣物內(nèi)，在交通感知、心率監(jiān)測等方面展現(xiàn)出了卓越的性能。
值得一提的是，這種電子纖維不僅可以無缺陷延展數(shù)百米長、具有出色的耐久性，而且還防水，適用于水下應(yīng)用。
相關(guān)研究論文以“High-quality semiconductor fibres via mechanical design”為題，剛剛發(fā)表在權(quán)威科學(xué)期刊 Nature 上。
在一篇同期發(fā)表的新聞與觀點文章中，弗吉尼亞理工大學(xué)副教授賈曉婷和她的學(xué)生 Alex Parrott 表示，這項技術(shù)的制造設(shè)備在工業(yè)應(yīng)用上的成熟度，以及在紡織業(yè)的廣泛應(yīng)用，使其具備了商業(yè)化的潛力。他們認(rèn)為，這項工作“在將微型計算機嵌入日常服裝的方向上實現(xiàn)了一個飛躍。”
可水洗的高性能柔性纖維
人類對于纖維的利用可以追溯到石器時代，而現(xiàn)代人類對纖維的追求不僅僅局限于其隔熱功能。
近年來，可穿戴設(shè)備的飛速發(fā)展少不了纖維的功勞。由于舒適性和靈活性有限，傳統(tǒng)的硬性電子設(shè)備往往難以與日常服飾融合。
可穿戴設(shè)備更是難上加難，它同時需要纖維和傳感器，而將半導(dǎo)體器件集成到纖維中，對纖維有著巨大的考驗。
最重要的是纖維的耐磨性：它必須足夠柔韌，易于扭曲，以便編織；此外，它還能夠水洗，可重復(fù)使用；并且透氣，讓人們有著舒適的穿著體驗。
許多研究人員通過創(chuàng)建由非晶半導(dǎo)體材料制成的智能光纖設(shè)備來同時這些功能。問題是，現(xiàn)有的制造方法可能會產(chǎn)生帶有斷裂、有缺陷的半導(dǎo)體芯的螺紋，影響纖維的性能。
基于這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊開啟了柔軟電子纖維的研究之旅。
他們的目標(biāo)是創(chuàng)造一種能夠被編織進(jìn)日常服飾、同時具備卓越性能的纖維。他們想把穿戴科技滲透在衣物之間的，將其變成能夠融入日常生活的智能科技。
他們在研究中對制備過程進(jìn)行深入剖析，摒棄傳統(tǒng)手法的缺陷，采用了創(chuàng)新的方式將微小的半導(dǎo)體器件引入纖維，創(chuàng)造了百米級別的無瑕纖維。
圖｜柔性電子纖維的設(shè)計和構(gòu)造。a）由玻璃包層（紫色）和半導(dǎo)體芯（黑色）制成的預(yù)制棒被拉制成光纖尺寸；b）具有不同程度毛細(xì)管不穩(wěn)定性的纖維的示意圖（左）和光學(xué)圖像（右）；c）纖芯幾何形狀與不同的應(yīng)力水平相關(guān)。光纖示意圖（左）和光學(xué)圖像（右）顯示了完整和破裂的纖芯響應(yīng)制造過程中形成的應(yīng)力；d）通過一次拉絲工藝制造出約一百米的連續(xù)半導(dǎo)體芯光纖，玻璃覆層可以通過酸蝕刻去除；e）會聚光纖拉絲技術(shù)示意圖，暴露的半導(dǎo)體纖維和金屬線可以在該過程中保持堅固性；f）由所得光電纖維實現(xiàn)的大規(guī)模功能織物。在這一過程中，團(tuán)隊通過精準(zhǔn)的材料選擇，以及對制備工序詳細(xì)的力學(xué)分析，掌握了纖維制備中的應(yīng)力源，實現(xiàn)了連續(xù)、高性能的柔軟纖維。
在這一過程中，團(tuán)隊通過精準(zhǔn)的材料選擇，以及對制備工序詳細(xì)的力學(xué)分析，掌握了纖維制備中的應(yīng)力源，實現(xiàn)了連續(xù)、高性能的柔軟纖維。
圖｜制作方法。首先將半導(dǎo)體線插入玻璃管內(nèi)，兩者同時加熱至足夠軟，拉成細(xì)線，冷卻后用氫氟酸去除玻璃；然后將線材與金屬線材一起送入聚合物管中再次加熱，拉成數(shù)百米長的柔性線。這種柔性線即可編織成能夠檢測和處理信號的織物。
這項革新技術(shù)借鑒了光纖制備的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，充分利用了紡織業(yè)廣泛采用的工具。通過一系列巧妙的步驟，研究人員不僅創(chuàng)造出具備光電特性的柔軟纖維，更將其無縫地嵌入到日常服裝中。
這仿若現(xiàn)代瑰麗的魔法，為未來的智能服飾提供了充滿想象力的可能性。
你可以想象一下，帽子上嵌入了這樣的纖維，能夠感知交通燈的信號并通過手機提醒佩戴者，對盲人十分友好。
或者，一件毛衣不僅保暖，還能充當(dāng)光通信裝置，通過 Li-Fi 技術(shù)傳遞信息。
此外，研究團(tuán)隊甚至將這些柔軟電子纖維編織成了手環(huán)。與現(xiàn)有設(shè)備相比，它更貼合手腕，更具耐久性，可在水下深達(dá) 3000 米的壓力下正常工作。
盡管軟性電子纖維的出現(xiàn)為可穿戴設(shè)備領(lǐng)域帶來了前所未有的創(chuàng)新，然而，這項研究也有一些局限性和挑戰(zhàn)。
例如，雖然該研究在纖維制備過程中克服了半導(dǎo)體器件容易斷裂的問題，但纖維的外包覆材料卻犧牲了一定的實用性，特別是在需要保持柔軟性和透氣性的服裝應(yīng)用中。這對外包材料的選擇提出了更高的要求。
另外，在生產(chǎn)方面，當(dāng)前的技術(shù)路線需要對纖維進(jìn)行后期處理，以將其從外層材料中脫離出來，這一步驟可能會增加生產(chǎn)成本，并對環(huán)保性產(chǎn)生一定影響。
此外，為了保證纖維的高質(zhì)量，研究團(tuán)隊采用了后期添加單晶半導(dǎo)體的處理方法，這在一定程度上限制了材料的可用性和生產(chǎn)效率。
可穿戴設(shè)備，擁有無限可能
柔性電子纖維的誕生，不僅僅是一項科技突破，更是時尚與科技融合的嶄新嘗試。
賈曉婷和 Alex Parrott 指出，用于制造這些纖維的設(shè)備已經(jīng)包括了一種纖維牽引裝置，該裝置在電信行業(yè)中已經(jīng)廣泛用于生產(chǎn)商用光纖。一旦這些纖維制備完成，就能夠利用紡織業(yè)中已經(jīng)廣泛采用的工具，將其巧妙地編織成各種織物。
他們表示，未來一個令人興奮的方向是為纖維配備更復(fù)雜的器件，如晶體管，并提高這些功能元件的密度。目前的方法有一個局限性，它需要一個后處理步驟，才能將質(zhì)量極高的（單晶）半導(dǎo)體融入纖維中。
除了利用新型纖維將可穿戴設(shè)備融入日常生活，可穿戴設(shè)備還擁有其他可能。
去年 12 月，南開大學(xué)團(tuán)隊研發(fā)了一種可以全天太陽能供電的雙向溫度調(diào)節(jié)服裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過快速熱調(diào)節(jié)可以將熱舒適區(qū)從 22°C 至 28°C 擴(kuò)展到 12.5°C 至 37.6°C，且具有快速的體溫調(diào)節(jié)速率，從而確保在各種復(fù)雜和不穩(wěn)定環(huán)境中人體的安全和舒適。
據(jù)介紹，該系統(tǒng)可以在極地地區(qū)和個體太空行走等惡劣環(huán)境中增加人類的生存能力，為擴(kuò)展人類對惡劣環(huán)境的適應(yīng)性提供了多種可能性。
2022 年 6 月，來自新加坡南洋理工大學(xué)和清華大學(xué)的研究團(tuán)隊，聯(lián)合開發(fā)出了一種可伸縮的防水“織物”，這種織物可以將人類身體運動產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化為電能。經(jīng)洗滌、折疊和褶皺后，織物的性能也不會出現(xiàn)下降，甚至可以在長達(dá) 5 個月的時間內(nèi)，保持穩(wěn)定的電力輸出。
看到這里，不妨想象一下，在不久的將來，我們穿戴的不再只是普通衣物，而是能與周圍環(huán)境無縫連接、互動、自供電的智能織物，到那時，我們的日常生活將是怎樣的？
