東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)功能材料課題組研發(fā)出集無(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，由其編織制成的智能紡織品無(wú)需依賴芯片和電池便可實(shí)現(xiàn)發(fā)光顯示、觸控等人機(jī)交互功能。
這一突破性成果為人與環(huán)境的智能交互開辟了新可能，具有廣泛應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果5日發(fā)表于《科學(xué)》(Science)雜志。
4月5日，東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)功能材料課題組在Science(《科學(xué)》)上發(fā)表了題為“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”的研究論文。 東華大學(xué)供圖
隨著科技不斷發(fā)展，智能可穿戴設(shè)備正逐漸成為我們生活的一部分，并在健康監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療和人機(jī)交互等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。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，被視為理想的可穿戴設(shè)備載體。
目前，智能纖維的開發(fā)多基于“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。不過(guò)，現(xiàn)階段的智能紡織品仍依賴于芯片和電池，體積、重量和剛性大，難以同時(shí)滿足人們對(duì)紡織品功能性和舒適性的需求。
該研究中，東華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地提出了“非馮·諾伊曼架構(gòu)”的新型智能纖維，有效地簡(jiǎn)化了可穿戴設(shè)備和智能紡織品的硬件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了它們的可穿戴性。該工作實(shí)現(xiàn)了將能量采集、信息感知、信號(hào)傳輸?shù)裙δ芗捎趩胃w維中，并通過(guò)編織制成不依賴芯片和電池的智能紡織品。
“不插電”就能發(fā)光發(fā)電的纖維，其中到底有怎樣的奧妙呢？答案就是我們的身體。該研究提出把人體作為能量交互的載體，開辟了一條便捷的能量“通道”，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，恰恰就是這一“日用而不覺(jué)”的原理，促成了“人體耦合”的新型能量交互機(jī)制。在添加特定功能材料以后，僅僅經(jīng)過(guò)人體觸碰，這種新型纖維就會(huì)展現(xiàn)發(fā)光發(fā)電的“神奇一幕”。
人體耦合電磁能量收集示意圖。東華大學(xué)供圖
“這款新型纖維具有三層鞘芯結(jié)構(gòu)，所采用的均是市面上比較常見(jiàn)的原材料。原材料成本低，纖維和織物的加工都能夠用成熟的工藝實(shí)現(xiàn)，已具備量產(chǎn)能力?！闭撐牡谝蛔髡摺|華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生楊偉峰說(shuō)。
對(duì)智慧生活場(chǎng)景的展望。東華大學(xué)供圖
該研究還展示了這種基于人體耦合原理的智能纖維的幾種應(yīng)用：在不使用芯片和電池的情況下，實(shí)現(xiàn)了纖維觸控發(fā)光、織物顯示以及無(wú)線指令傳輸?shù)裙δ?。纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東華大學(xué))研究員侯成義表示，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?/span>
先進(jìn)功能材料課題組部分師生。東華大學(xué)供圖
課題組組長(zhǎng)王宏志教授介紹，下一階段課題組將深入研究如何讓這種新型纖維能夠更有效地從空間中收集能量，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，相信在不久的未來(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。
同期，Science還邀請(qǐng)美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校、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。該成果被認(rèn)為有望改變?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(jué)地”大規(guī)模采集身體觸覺(jué)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，這將有望影響人體物理交互研究用基礎(chǔ)模型的發(fā)展。
楊偉峰為論文第一作者，纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東華大學(xué))王宏志教授、侯成義研究員，以及東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張青紅研究員為論文通訊作者。該研究工作由東華大學(xué)作為唯一通訊單位主導(dǎo)完成，合作單位包括新加坡國(guó)立大學(xué)與安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)。
