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衣服穿上身就能发光发亮?东华大学智能纤维最新研究成果在Science发表

衣服穿上身就能发光发亮?东华大学智能纤维最新研究成果在Science发表飞入寻常百姓家
来源:新民晚报   作者:张炯强   2024-04-08 10:22:01


采访对象供图(下同)

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实现哪些功能?对于未来的人机交互场景,你又是如何畅想的呢?

日前,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。

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。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。

该研究中,东华大学科研团队开创性地提出了“非冯·诺伊曼架构”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”。

“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。”作为论文第一作者,东华材料学院博士生杨伟峰说。

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。纤维材料改性国家重点实验室(东华大学)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。”

新民晚报记者 张炯强


编辑:钱文婷
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