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很神奇!“不插电”的发光发电纤维 东华大学科研团队在智能纤维领域取得重要突破,相关成果在Science发表

发布时间:2024-04-06发布部门:纤维材料改性国家重点实验室、材料科学与工程学院

你见过穿上身就能发光发电的纤维吗?你期待智能可穿戴设备能实现哪些功能?对于未来的人机交互场景,你又有如何畅想?

4月5日,东华大学材料科学与工程学院先进功能材料课题组在Science(《科学》)上发表了题为“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”的研究论文。该研究提出了基于“人体耦合”的能量交互机制,并成功研发出集无线能量采集、信息感知与传输等功能于一体的新型智能纤维,由其编织制成的智能纺织品无需依赖芯片和电池便可实现发光显示、触控等人机交互功能,这一突破性成果为人与环境的智能交互开辟了新可能,具有广泛应用前景。

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)王宏志教授、侯成义研究员,以及东华大学材料科学与工程学院张青红研究员为论文通讯作者。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。

随着科技不断发展,智能可穿戴设备正逐渐成为我们生活的一部分,并在健康监测、远程医疗和人机交互等领域发挥着越来越重要的作用。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,被视为理想的可穿戴设备载体。目前,智能纤维的开发多基于“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,但这种复杂的多模块集成技术还面临着一系列挑战。现阶段的智能纺织品仍依赖于芯片和电池,体积、重量和刚性大,难以同时满足人们对纺织品功能性和舒适性的需求。

(“人体耦合”智能纤维的工作机制及其与传统电子织物的对比)

该研究中,东华大学科研团队开创性地提出了“非冯·诺依曼架构”的新型智能纤维,有效地简化了可穿戴设备和智能纺织品的硬件结构,优化了它们的可穿戴性。该工作实现了将能量采集、信息感知、信号传输等功能集成于单根纤维中,并通过编织制成不依赖芯片和电池的智能纺织品。

“不插电”就能发光发电的纤维,其中到底有怎样的奥妙呢?在我们的日常生活中,电磁场和电磁波无处不在,散布在环境中的这些电磁能量就是这种新型纤维的无线驱动力。而这些能量又是如何“传递”到纤维上面的呢?答案就是我们的身体。该工作提出把人体作为能量交互的载体,开辟了一条便捷的能量“通道”,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,恰恰就是这一“日用而不觉”的原理,促成了“人体耦合”的新型能量交互机制。在添加特定功能材料以后,仅仅经过人体触碰,这种新型纤维就会展现发光发电的“神奇一幕”。

(人体耦合电磁能量收集示意图)

“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)。原材料成本低,纤维和织物的加工都能够用成熟的工艺实现,已具备量产能力。”杨伟峰说。

  

(触控发光纤维与织物、无线游戏操控的演示)

该工作还展示了这种基于人体耦合原理的智能纤维的几种应用:在不使用芯片和电池的情况下,实现了纤维触控发光、织物显示以及无线指令传输等功能。侯成义研究员表示,“这种新型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。”

(对智慧生活场景的展望)

创新成果的背后是对未知的执着追求和创新人才培养的不懈探索。“学科交叉融合是当前科研创新的新趋势,这项研究涉及到材料、信息、纺织等多个学科,在学生培养过程中我们一直坚持因材施教,根据学生不同兴趣,突出差异化指导,尤其是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。”杨伟峰的博士生导师张青红研究员说。

(先进功能材料课题组部分师生)

科研突破的取得更是长期积累的结果。据课题组组长王宏志教授介绍,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。”

同期,Science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。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。

文章链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk3755

视频: 摄影: 撰写:高坤综合整理 信息员:星禧 编辑:朱一超