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)備能實現(xiàn)哪些功能？對于未來的人機(jī)交互場景，你又有如何暢想?

據(jù)微信公眾號“東華大學(xué)”消息，4月5日，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 。

（Science期刊插圖）

該研究提出了基于“人體耦合”的能量交互機(jī)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(jī)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。

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(yuǎn)程醫(yī)療和人機(jī)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)。現(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(jī)制及其與傳統(tǒng)電子織物的對比）

該研究中，東華大學(xué)科研團(tuán)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(jìn)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(jī)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）

“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?！睎|華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生、論文的第一作者楊偉峰說。

（觸控發(fā)光纖維與織物、無線游戲操控的演示）

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?。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(jìn)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(jìn)而對智能家電等電子產(chǎn)品進(jìn)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??！?

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，并以此驅(qū)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(qiáng)大，對于環(huán)境也會有更好的適應(yīng)性?！?