突破！我國科學(xué)家研發(fā)出“神奇材料”，無需芯片和電池便可發(fā)光

每經(jīng)編輯 畢陸名

你見過穿上身就能發(fā)光發(fā)電的纖維嗎？你期待智能可穿戴設(shè)備實現(xiàn)哪些功能？對于未來的人機交互場景，你又是如何暢想的呢？

據(jù)東華大學(xué)官微，近日，東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進功能材料課題組在Science（《科學(xué)》）上發(fā)表了題為“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”的研究論文。該研究提出了基于“人體耦合”的能量交互機制，并成功研發(fā)出集無線能量采集、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需依賴芯片和電池便可實現(xiàn)發(fā)光顯示、觸控等人機交互功能，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。

圖片來源：Science期刊插圖

據(jù)悉，這一突破性成果為人與環(huán)境的智能交互開辟了新可能。東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生楊偉峰為論文第一作者，纖維材料改性國家重點實驗室（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立大學(xué)與安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)。

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、遠程醫(yī)療和人機交互等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。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，如信號采集的傳感纖維、信號傳輸?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。盡管這些功能單元可組合制成織物形態(tài)，但這種復(fù)雜的多模塊集成技術(shù)還面臨著一系列挑戰(zhàn)?，F(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，難以同時滿足人們對紡織品功能性和舒適性的需求。

“人體耦合”智能纖維的工作機制及其與傳統(tǒng)電子織物的對比。圖片來源：東華大學(xué)

該研究中，東華大學(xué)科研團隊開創(chuàng)性地提出了“非馮·諾依曼架構(gòu)”的新型智能纖維，有效地簡化了可穿戴設(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。該工作實現(xiàn)了將能量采集、信息感知、信號傳輸?shù)裙δ芗捎趩胃w維中，并通過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？在我們的日常生活中，電磁場和電磁波無處不在，散布在環(huán)境中的這些電磁能量就是這種新型纖維的無線驅(qū)動力。而這些能量又是如何“傳遞”到纖維上面的呢？答案就是我們的身體。該工作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優(yōu)先進入纖維、人體、大地組成的回路，恰恰就是這一“日用而不覺”的原理，促成了“人體耦合”的新型能量交互機制。在添加特定功能材料以后，僅僅經(jīng)過人體觸碰，這種新型纖維就會展現(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。圖片來源：東華大學(xué)

圖片來源：東華大學(xué)

圖片來源：東華大學(xué)

“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的原材料。芯層為感應(yīng)交變電磁場的纖維天線（鍍銀尼龍纖維）、中間層為提高電磁能量耦合容量的介電層（BaTiO3復(fù)合樹脂）、外層為電場敏感的發(fā)光層（ZnS復(fù)合樹脂）。原材料成本低，纖維和織物的加工都能夠用成熟的工藝實現(xiàn)，已具備量產(chǎn)能力。”楊偉峰說。

該工作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，實現(xiàn)了纖維觸控發(fā)光、織物顯示以及無線指令傳輸?shù)裙δ堋?/p>

侯成義研究員表示，“這種新型纖維能夠運用到服裝服飾、布藝裝飾等日用紡織品中，當(dāng)它們與人體接觸時，通過發(fā)光進行可視化的傳感、交互甚至高亮照明，同時它們還能對人體不同姿態(tài)動作產(chǎn)生獨特的無線信號，進而對智能家電等電子產(chǎn)品進行無線遙控。這些新穎的功能有望拓展電子產(chǎn)品的應(yīng)用場景，甚至改變?nèi)藗冎腔凵畹姆绞健?rdquo;

每日經(jīng)濟新聞綜合東華大學(xué)官微

封面圖片來源：東華大學(xué)