我國科學家研發出“神奇材料”，無需芯片和電池便可發光

你見過穿上身就能發光發電的纖維嗎？你期待智能可穿戴設備能實現哪些功能？對於未來的人機交互場景，你又有如何暢想?

據微信公眾號“東華大學”消息，4月5日，東華大學材料科學與工程學院先進功能材料課題組在Science（《科學》）上發表了題為“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”的研究論文 。

（Science期刊插圖）

該研究提出了基於“人體耦合”的能量交互機制，併成功研發出集無線能量採集、信息感知與傳輸等功能於一體的新型智能纖維，由其編織製成的智能紡織品無需依賴芯片和電池便可實現發光顯示、觸控等人機交互功能，這一突破性成果為人與環境的智能交互開闢了新可能，具有廣泛應用前景。

隨着科技不斷發展，智能可穿戴設備正逐漸成為我們生活的一部分，並在健康監測、遠程醫療和人機交互等領域發揮着越來越重要的作用。相較於傳統剛性半導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備載體。目前，智能纖維的開發多基於“馮·諾依曼架構”，即以硅基芯片作為信息處理核心開發各種電子纖維功能模塊，如信號採集的傳感纖維、信號傳輸的導電纖維、信息顯示的發光纖維、能量供應的發電纖維等。儘管這些功能單元可組合製成織物形態，但這種複雜的多模塊集成技術還面臨着一系列挑戰。現階段的智能紡織品仍依賴於芯片和電池，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電子織物的對比）

該研究中，東華大學科研團隊開創性地提出了“非馮·諾依曼架構”的新型智能纖維，有效地簡化了可穿戴設備和智能紡織品的硬件結構，優化了它們的可穿戴性。該工作實現了將能量採集、信息感知、信號傳輸等功能集成於單根纖維中，並通過編織製成不依賴芯片和電池的智能紡織品。

“不插電”就能發光發電的纖維，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，散佈在環境中的這些電磁能量就是這種新型纖維的無線驅動力。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，開闢了一條便捷的能量“通道”，原本在大氣中耗散的電磁能量優先進入纖維、人體、大地組成的迴路，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後，僅僅經過人體觸碰，這種新型纖維就會展現發光發電的“神奇一幕”。

（人體耦合電磁能量收集示意圖）

“這款新型纖維具有三層鞘芯結構，所採用的均是市面上比較常見的原材料。芯層為感應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 複合樹脂）、外層為電場敏感的發光層（ZnS複合樹脂）。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，已具備量產能力。”東華大學材料科學與工程學院博士研究生、論文的第一作者楊偉峯説。

（觸控發光纖維與織物、無線遊戲操控的演示）

該工作還展示了這種基於人體耦合原理的智能纖維的幾種應用：在不使用芯片和電池的情況下，實現了纖維觸控發光、織物顯示以及無線指令傳輸等功能。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，當它們與人體接觸時，通過發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動作產生獨特的無線信號，進而對智能家電等電子產品進行無線遙控。這些新穎的功能有望拓展電子產品的應用場景，甚至改變人們智慧生活的方式。”

課題組組長王宏志教授介紹道，“下一階段工作，我們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，並以此驅動更多功能，包括顯示、變形、運算、人工智能等，相信在不久的未來，智能服裝能做更多事，人會變得更加強大，對於環境也會有更好的適應性。”