隨著可穿戴技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)將電子技術(shù)與紡織品相結(jié)合的研究引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。這是因?yàn)閷㈦娮庸δ芗傻嚼w維和紡織品中，從而賦予服裝新的智能功能和交互性。然而，傳統(tǒng)的基于馮·諾伊曼架構(gòu)的電子系統(tǒng)在紡織品中的無(wú)縫集成面臨著一系列挑戰(zhàn)，包括能量效率、穿著舒適性和清洗性等方面的限制。

為了使得紡織電子能夠滿足人類(lèi)現(xiàn)實(shí)生活的需求：無(wú)需電池、無(wú)需芯片、可清洗、可編織。因此，科學(xué)家們開(kāi)始探索一種非馮·諾伊曼架構(gòu)的纖維電子系統(tǒng)，旨在將電子組件整合到單根纖維中，并使之具備無(wú)線傳輸、傳感處理和反饋等功能，以成為電子紡織品的構(gòu)建模塊。然而，要將基于芯片的紡織系統(tǒng)的交互功能轉(zhuǎn)換為無(wú)線和無(wú)芯片形式，面臨著諸多技術(shù)難題。首先，在單根纖維中實(shí)現(xiàn)同時(shí)限制和輻射能量或電信號(hào)的交互是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)槟壳吧胁淮嬖谀軌騽?dòng)態(tài)切換振蕩和限制電荷對(duì)的能量交互機(jī)制。其次，當(dāng)前的信號(hào)調(diào)制原理依賴于復(fù)雜的模擬電路和大量的電子組件，難以集成到常用的軟纖維中。

為了解決這些問(wèn)題，東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)功能材料課題組王宏志教授、侯成義研究員和張青紅教授攜手提出了一種基于人體耦合能量交互機(jī)制的纖維電子技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)利用人體作為交互對(duì)象，通過(guò)耦合周?chē)碾姶拍芰?，在電子纖維和人體之間生成束縛電荷對(duì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳輸和傳感信號(hào)的發(fā)射。同時(shí)，還引入了電場(chǎng)敏感的發(fā)光介質(zhì)，提供了人可讀的反饋，從而將傳感器和執(zhí)行器統(tǒng)一到單個(gè)纖維上。以上成果在Science頂刊發(fā)題為“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”研究論文。這一成果不僅為智能紡織品的發(fā)展開(kāi)辟了新的道路，也為人們提供了更加舒適、便捷和智能化的穿著體驗(yàn)。    

作者通過(guò)比較傳統(tǒng)基于芯片的電子紡織系統(tǒng)和他們提出的無(wú)芯片、無(wú)線交互式紡織系統(tǒng)，闡述了傳統(tǒng)系統(tǒng)在柔性集成和舒適性方面存在的限制。具體來(lái)說(shuō)，在圖1A中，通過(guò)對(duì)比兩種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組件，指出了傳統(tǒng)系統(tǒng)在與皮膚的合攏附著、多節(jié)點(diǎn)集成、以及清洗方面存在的困難。相比之下，圖1B揭示了無(wú)芯片、無(wú)線交互式紡織系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，即由無(wú)線接收器和無(wú)線發(fā)射器構(gòu)成的i-纖維，具有天線核心、介電層和光學(xué)層等功能層。同時(shí)，人體作為另一極，通過(guò)接觸形成界面接觸電容，實(shí)現(xiàn)了與環(huán)境的交互。圖1C和1D進(jìn)一步展示了i-纖維在人體接觸情況下的工作原理，通過(guò)人體耦合實(shí)現(xiàn)了電磁能量的收集和光信號(hào)的發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)了智能紡織系統(tǒng)的無(wú)線交互功能。    

圖1. 體耦合交互式光纖的設(shè)計(jì)和原理。

在圖2中，作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了人體耦合環(huán)境電磁能量收集的機(jī)制。具體來(lái)說(shuō)，圖2A和2B描述了通過(guò)i-纖維收集各種環(huán)境電磁場(chǎng)的原理，以及人體耦合的交互式纖維電子系統(tǒng)的構(gòu)造。圖2C展示了等效電路模型，說(shuō)明了纖維電子系統(tǒng)通過(guò)人體耦合實(shí)現(xiàn)了電磁能量的收集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在不同頻段下，通過(guò)人體耦合收集的電磁能量明顯高于空氣耦合。同時(shí)，隨著距離的增加，能量收集效率逐漸降低，這進(jìn)一步證明了人體耦合的有效性。圖2D則展示了在辦公環(huán)境中通過(guò)人體耦合和空氣耦合的環(huán)境電磁波的功率譜，表明通過(guò)人體耦合的能量收集效率更高。此外，在不同介質(zhì)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖2F）表明，纖維在水中具有更高的電磁能量收集能力，這為智能紡織系統(tǒng)在不同環(huán)境中的應(yīng)用提供了可能性。最后，通過(guò)COMSOL模擬結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了i-纖維在不同環(huán)境中的響應(yīng)，進(jìn)一步證實(shí)了人體耦合環(huán)境電磁能量收集的有效性。這些研究成果不僅為智能紡織領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路和方法，還為未來(lái)智能紡織系統(tǒng)在舒適性、智能化和可穿戴性等方面的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用提供了重要參考。    

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圖2. 通過(guò)體耦合交互式光纖收集環(huán)境電磁能量。

圖3展示了通過(guò)單個(gè)i-纖維調(diào)制和傳輸無(wú)線光學(xué)和電信號(hào)的機(jī)制。他們首先描述了通過(guò)打破接觸界面的限制電荷對(duì)的平衡，并引入快速變化的電位移場(chǎng)或磁場(chǎng)來(lái)無(wú)線傳輸瞬時(shí)觸覺(jué)傳感信號(hào)的機(jī)制。然后，他們呈現(xiàn)了i-纖維的等效電路模型，說(shuō)明了在i-纖維中實(shí)現(xiàn)EM波輻射的LC振蕩。接著，作者說(shuō)明了通過(guò)調(diào)節(jié)i-纖維的高介電涂層厚度可以調(diào)節(jié)無(wú)線電信號(hào)的頻率和幅度，以及光學(xué)信號(hào)的頻率。最后，他們測(cè)量了無(wú)線光學(xué)和電信號(hào)隨距離的衰減情況，并證明了i-纖維可以以全向方式傳輸無(wú)線光學(xué)和電信號(hào)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，作者深入探討了無(wú)芯片交互式紡織系統(tǒng)的調(diào)制和傳輸機(jī)制，為可穿戴技術(shù)的發(fā)展提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。    

圖3. 無(wú)線光信號(hào)和電信號(hào)的調(diào)制和傳輸。

下圖4展示了連續(xù)制造、編織和川畑織物風(fēng)格評(píng)估的過(guò)程。作者采用了逐層涂覆制造工藝，將高介電材料和熒光粉混合在樹(shù)脂中，并涂覆在導(dǎo)電纖維表面，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)i-纖維的連續(xù)制造（圖4A）。這種制造過(guò)程的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)對(duì)電子模塊的擺脫，使得作者可以利用時(shí)尚產(chǎn)業(yè)的制造技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所制備的纖維具有優(yōu)秀的柔軟度、細(xì)度和斷裂強(qiáng)度，使其能夠通過(guò)數(shù)碼縫紉機(jī)進(jìn)行縫制和刺繡（圖4B和C）。此外，作者還通過(guò)引入熒光染料成功地調(diào)節(jié)了纖維的固有色和發(fā)射色，使其呈現(xiàn)出不同的發(fā)光色彩（圖4D和E）。在穿著舒適性方面，與傳統(tǒng)的基于芯片的電子紡織品相比，作者的無(wú)芯片無(wú)線紡織品具有更好的透氣性，符合皮膚微環(huán)境的舒適性要求（圖4F和G）。此外，通過(guò)使用川畑織物風(fēng)格評(píng)價(jià)系統(tǒng)，作者發(fā)現(xiàn)i-纖維的使用能夠改善織物的彎曲、剪切和表面光滑性能（圖4H）。最后，作者還進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)洗滌和后洗滌色牢度測(cè)試，結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)25次標(biāo)準(zhǔn)洗滌后，紡織電子仍保持原始的外觀和性能，證明了其良好的耐洗性能（圖4I）。    

圖4. 連續(xù)制造、織造和 Kawabata 織物風(fēng)格評(píng)估。    

圖5展示了無(wú)芯片紡織電子的多種應(yīng)用場(chǎng)景。首先，作者展示了i-纖維在提供聾人輔助光學(xué)通信方面的潛在應(yīng)用。通過(guò)一個(gè)644個(gè)獨(dú)立像素的觸摸板和相應(yīng)數(shù)量的紡織顯示墊，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)舒適、連續(xù)、實(shí)時(shí)的信息傳遞，無(wú)需額外的電子組件或能量供應(yīng)單元。其次，作者設(shè)計(jì)了一種集成無(wú)線發(fā)光圖案和無(wú)芯片顯示功能的服裝，通過(guò)身體耦合動(dòng)態(tài)紡織顯示，可以實(shí)現(xiàn)幾乎沒(méi)有延遲的紡織顯示系統(tǒng)。此外，作者利用身體耦合纖維電子技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種單纖維啟用的交互式紡織品，實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬游戲的實(shí)時(shí)控制。最后，作者展示了無(wú)線觸覺(jué)地毯的潛在應(yīng)用，該地毯可以通過(guò)與人體接觸，激活纖維來(lái)可視化觸摸區(qū)域并傳輸無(wú)線感知信號(hào)，從而控制室內(nèi)電子設(shè)備。這些應(yīng)用展示了無(wú)芯片紡織電子在輔助通信、虛擬互動(dòng)、智能家居等多個(gè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，具有重要的實(shí)用性和創(chuàng)新性。

圖5. 無(wú)芯片紡織電子產(chǎn)品的應(yīng)用。

【科學(xué)啟迪】

本文開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的纖維電子技術(shù)，利用人體與環(huán)境中的電磁能量進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需芯片的無(wú)線傳感、顯示和邏輯交互功能。這一技術(shù)突破了傳統(tǒng)電子組件的限制，使得電子裝置可以以柔性纖維的形式集成到智能服裝中，為可穿戴技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)了重大的突破。通過(guò)深入探討電磁能量的收集和交互信號(hào)的傳輸機(jī)制，本研究不僅提供了理論基礎(chǔ)，還為未來(lái)纖維電子的設(shè)計(jì)和制造提供了新思路。此外，文章還展示了該技術(shù)在輔助通信、智能家居和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為社會(huì)生活和科技進(jìn)步帶來(lái)了巨大的潛力。這一創(chuàng)新性技術(shù)的發(fā)展不僅將推動(dòng)可穿戴電子產(chǎn)品的發(fā)展，還將促進(jìn)智能化生活方式的普及，對(duì)于未來(lái)智能化社會(huì)的建設(shè)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

Weifeng Yang et al. ,Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics.Science384,74-81(2024).DOI:10.1126/science.adk3755   

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