集無(wú)線能量采集與傳輸?shù)裙δ苡谝惑w的“人體耦合”能量交互機(jī)制

你見(jiàn)過(guò)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(shí)現(xiàn)哪些功能？對(duì)于未來(lái)的人機(jī)交互場(chǎng)景，你又有如何暢想？

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。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(wú)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(wú)需依賴芯片和電池便可實(shí)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(kāi)辟了新可能，具有廣泛應(yīng)用前景。

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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(cè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療和人機(jī)交互等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)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(kāi)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(kāi)發(fā)各種電子纖維功能模塊，如信號(hào)采集的傳感纖維、信號(hào)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(shí)滿足人們對(duì)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(duì)比

該研究中，東華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了將能量采集、信息感知、信號(hào)傳輸?shù)裙δ芗捎趩胃w維中，并通過(guò)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(chǎng)和電磁波無(wú)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(wú)線驅(qū)動(dòng)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(kāi)辟了一條便捷的能量“通道”，原本在大氣中耗散的電磁能量?jī)?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(jué)”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(guò)人體觸碰，這種新型纖維就會(huì)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(jiàn)的原材料。芯層為感應(yīng)交變電磁場(chǎng)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(shù)脂）、外層為電場(chǎng)敏感的發(fā)光層（ZnS復(fù)合樹(shù)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(shí)現(xiàn)，已具備量產(chǎn)能力?！睏顐シ逭f(shuō)。

觸控發(fā)光纖維與織物、無(wú)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(shí)現(xiàn)了纖維觸控發(fā)光、織物顯示以及無(wú)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(yùn)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(shí)，通過(guò)發(fā)光進(jìn)行可視化的傳感、交互甚至高亮照明，同時(shí)它們還能對(duì)人體不同姿態(tài)動(dòng)作產(chǎn)生獨(dú)特的無(wú)線信號(hào)，進(jìn)而對(duì)智能家電等電子產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)線遙控。這些新穎的功能有望拓展電子產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景，甚至改變?nèi)藗冎腔凵畹姆绞健！?/p>

對(duì)智慧生活場(chǎng)景的展望

創(chuàng)新成果的背后是對(duì)未知的執(zhí)著追求和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的不懈探索?！皩W(xué)科交叉融合是當(dāng)前科研創(chuàng)新的新趨勢(shì)，這項(xiàng)研究涉及到材料、信息、紡織等多個(gè)學(xué)科，在學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中我們一直堅(jiān)持因材施教，根據(jù)學(xué)生不同興趣，突出差異化指導(dǎo)，尤其是鼓勵(lì)引導(dǎo)學(xué)生聚焦學(xué)術(shù)前沿，開(kāi)展多學(xué)科交叉融合創(chuàng)新研究，這樣才能產(chǎn)出更多具有突破性的成果?！睏顐シ宓牟┦可鷮?dǎo)師張青紅研究員說(shuō)。

科研突破的取得更是長(zhǎng)期積累的結(jié)果。據(jù)課題組組長(zhǎng)王宏志教授介紹，東華大學(xué)先進(jìn)功能材料課題組一直致力于智能纖維材料與器件的研究，從2012年研究石墨烯導(dǎo)電纖維開(kāi)始，到2016年研發(fā)出電致變色纖維，再到2018年搭建成了首條電致變色和力致發(fā)電纖維生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、規(guī)?；苽?；隨后，團(tuán)隊(duì)相繼研發(fā)出可連續(xù)制備的傳感纖維、發(fā)光纖維、調(diào)溫纖維，……一系列成果為深化智能纖維領(lǐng)域研究奠定了基礎(chǔ)?！跋乱浑A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(dòng)更多功能，包括顯示、變形、運(yùn)算、人工智能等，相信在不久的未來(lái)，智能服裝能做更多事，人會(huì)變得更加強(qiáng)大，對(duì)于環(huán)境也會(huì)有更好的適應(yīng)性?！?/p>

同期，Science還邀請(qǐng)美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校、麻省理工學(xué)院的專(zhuān)家對(duì)該成果進(jìn)行了評(píng)述報(bào)道。該成果被認(rèn)為有望改變?nèi)伺c環(huán)境以及人與人之間的交互方式，對(duì)功能性纖維的開(kāi)發(fā)以及智能紡織品在不同領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的啟發(fā)意義。在基礎(chǔ)研究方面，因?yàn)樵撝悄芾w維和紡織品能夠在不干擾人們?nèi)粘；顒?dòng)的情況下“不知不覺(jué)地”大規(guī)模采集身體觸覺(jué)數(shù)據(jù)，因此能夠更高效和便捷地收集人體與外界交互過(guò)程中的物理信息，這將有望影響人體物理交互研究用基礎(chǔ)模型的發(fā)展。

審核編輯：劉清