上海国际智能服装产业博览会

新型智能织物：将带来具备通信功能的服装！

 导读

近日，美国麻省理工学院的研究人员将高速光电半导体器件（发光二极管和二极管光电探测器）嵌入到纤维中，然后编织成柔性并可洗的织物，再做成通信系统。

背景

 

智能化，无疑是未来纺织品发展的重要趋势之一。智能织物，也称为“电子织物”、“智能服装”，是目前广受产学界追捧的热门前沿科技领域之一。智能织物的出现，标志着传统纺织业与电子技术、制造技术、传感器技术、物联网技术等新兴科技的进一步融合。

简单说，智能织物不仅可由各种导电材料制成，例如导电纤维、导电纱线、导电涂层、导电刺绣图案和导电叠片，也可含有各种电子元器件，例如：传感器、集成电路、LED、OLED、电池等。未来，我们穿在身上的智能衣服将具有诸多先进功能，例如：显示、通信、存储、交互、储能等。

接下来，带大家回顾一下以往介绍过的有关智能织物的三个经典案例：

1）美国华盛顿大学开发的新型智能织物，能存储用于打开公寓大门的不可见密码，或者用于智能手机的手势控制。

 

（图片来源：Dennis Wise/华盛顿大学）

2）中国科学院北京纳米能源与系统研究所、中国科学院大学、重庆大学、北京服装学院、服装材料研究开发与评价北京市重点实验室、美国佐治亚理工学院的科研人员开发出的新型电子织物，不仅可以实现自供电，而且高度灵敏并可洗。

 

（图片来源：美国化学学会）

3）韩国科学技术院（KAIST）的科研团队通过将 OLED（有机发光二极管）集成到织物中，开发出了世界上最具柔性，可靠性最高的可穿戴显示器。

 

（图片来源：KAIST）

创新

在智能织物领域，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员近日又取得了新进展。他们将高速光电半导体器件（发光二极管和二极管光电探测器）嵌入到纤维中，然后在美国南卡罗来纳州英曼米尔斯编织成柔性、可洗的织物，再做成通信系统。

 

 

（图片来源：MIT）

 

在一篇于本周发表在《自然（Nature）》期刊上的论文中，科研人员们详细描述了他们的研究成果。科研团队成员包括：前 MIT 研究生 Michael Rein、MIT 材料与电气工程系教授 Yoel Fink、以及来自 MIT、美国先进功能纤维联盟（AFFOA）、英曼米尔斯、瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）、林肯实验室（Lincoln Laboratory）的研究团队。其中，Yoel Fink 也是 Rein 的研究顾问以及 AFFOA 的CEO。

技术

生产光纤的传统方法，是制作一个圆柱形物体，也称为“预制棒”，然后再加热它。从本质上来说，“预制棒”是光纤按比例放大的模型。在拉力作用下，软化的材料被向下拉伸，生成的纤维通过线轴采集起来。

 

生产这些新型纤维的关键突破在于：在预制过程中，添加沙粒般大小的发光半导体二极管，以及宽度为人类发丝几分之一的铜线。在纤维拉伸过程中，当聚合物预制棒在熔炉中加热时，它会部分液化，形成长长的纤维，围绕着它的中心排列着二极管，并通过铜线连接在一起。

（图片来源：MIT）

 

在这个案例中，固态元件是通过标准芯片技术制造的两种二极管：发光二极管（LED）和光敏二极管。Rein 说：“在拉伸工艺中，设备和线都可以保持它们的尺寸，而它们周围的一切都在缩小。”然后，生成的纤维会被编织到织物中。这种织物经过了10次洗涤，以证明它可以实际作为衣服材料使用。

论文领导作者、新工艺的概念设计者 Rein 表示：“这个方案为制造纤维的工艺增添了新见解。我们并不是在液态一起拉伸所有的材料，而是将设备以微粒形式与金属细线混合在一起。”

将功能集成到纤维本身中的优点之一，就是生成的纤维具有与生俱来的防水性。为了证明这一点，团队在鱼缸中放置了一些感光纤维。鱼缸外的一盏灯，将音乐（亨德尔的“水上音乐”）以快速光学信号的形式，通过水发送至纤维。鱼缸中的纤维将光脉冲（这种脉冲非常快速，人眼看上去，光线是稳定不变的。）转化为电信号，然后再转化为音乐。这种纤维可以在水中生存达数周。

这种嵌入LED的纤维非常细，可以用来穿针。

（图片来源：MIT）

 

虽然原理听起来简单，但是让纤维持续工作并保证可靠的量产，是一个漫长而又艰难的过程。Jason Cox 和 Chia-Chun Chung 领导的美国先进功能纤维研究所的成员开发了一些方法来提高产量、生产能力与整体可靠性，让这些纤维过渡到产业化。与此同时，来自英曼米尔斯的 Marty Ellis 采用传统的工业制造级的织布机，开发出将这些纤维编织到织物中的新技术。

价值

迄今为止，集成半导体器件（现代电子学的关键字组成部分）创造“智能”织物，如同制造复杂功能织物所缺失的一块拼图，这也是科学家们长期追求的目标。如今，这一目标得以实现。

研究人员称，这一发现将为纤维带来一种新的“摩尔定律”。换句话说，这是一种飞速发展：纤维的能力随着时间推移，将以指数方式迅速增长，就像过去几十年芯片能力的增长一样。

Fink 表示：“这篇论文描述了一种将半导体设备集成到纤维中的可升级的方案。我们正期待着未来几年一种类似的‘摩尔定律’出现在织物领域。它让我们可以拓展织物的基本能力，以实现通信、照明、生理监测等功能。未来几年中，织物将带来增值服务，不再仅仅因为审美和舒适而被选择。”

他说，第一个含有这项技术的商用产品最早将在明年上市，对于从实验室研究到商业化来说，这是一个非常短的过程。他说，这样迅速的“实验室到市场”（lab-to-market ）的开发，是学术-产业-政府（例如一开始提到的AFFOA ）合作的关键。起初的应用将是涉及通信与安全的特殊产品。他表示：“这将是首个织物通信系统。我们现在正以前所未有的速度与规模将这项技术转移到国内制造商与产业。”

 

除了商业应用，Fink 表示，美国国防部（AFFOA的主要支持者之一）“正在将这些想法应用于男款和女款的制服。”

研究人员称，这些纤维除了通信，还有望在生物医疗领域带来重要应用。例如，采用这些纤维的设备有望应用于手环，用来测量脉搏或血氧水平；或者编织到绷带中，用来持续监测愈合过程。