新型智能織物：將帶來具備通信功能的服裝！
背景
智能化，無疑是未來紡織品發展的重要趨勢之一。智能織物，也稱為「電子織物」、「智能服裝」，是目前廣受產學界追捧的熱門前沿科技領域之一。智能織物的出現，標誌著傳統紡織業與電子技術、製造技術、感測器技術、物聯網技術等新興科技的進一步融合。
簡單說，智能織物不僅可由各種導電材料製成，例如導電纖維、導電紗線、導電塗層、導電刺繡圖案和導電疊片，也可含有各種電子元器件，例如：感測器、集成電路、LED、OLED、電池等。未來，我們穿在身上的智能衣服將具有諸多先進功能，例如：顯示、通信、存儲、交互、儲能等。
接下來，帶大家回顧一下以往介紹過的有關智能織物的三個經典案例：
1）美國華盛頓大學開發的新型智能織物，能存儲用於打開公寓大門的不可見密碼，或者用於智能手機的手勢控制。
（圖片來源：Dennis Wise/華盛頓大學）
2）中國科學院北京納米能源與系統研究所、中國科學院大學、重慶大學、北京服裝學院、服裝材料研究開發與評價北京市重點實驗室、美國喬治亞理工學院的科研人員開發出的新型電子織物，不僅可以實現自供電，而且高度靈敏並可洗。
（圖片來源：美國化學學會）
3）韓國科學技術院（KAIST）的科研團隊通過將 OLED（有機發光二極體）集成到織物中，開發出了世界上最具柔性，可靠性最高的可穿戴顯示器。
（圖片來源：KAIST）
創新
在智能織物領域，美國麻省理工學院（MIT）的研究人員近日又取得了新進展。他們將高速光電半導體器件（發光二極體和二極體光電探測器）嵌入到纖維中，然後在美國南卡羅來納州英曼米爾斯編織成柔性、可洗的織物，再做成通信系統。
（圖片來源：MIT）
在一篇於本周發表在《自然（Nature）》期刊上的論文中，科研人員們詳細描述了他們的研究成果。科研團隊成員包括：前 MIT 研究生 Michael Rein、MIT 材料與電氣工程系教授 Yoel Fink、以及來自 MIT、美國先進功能纖維聯盟（AFFOA）、英曼米爾斯、瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）、林肯實驗室（Lincoln Laboratory）的研究團隊。其中，Yoel Fink 也是 Rein 的研究顧問以及 AFFOA 的CEO。
技術
生產光纖的傳統方法，是製作一個圓柱形物體，也稱為「預製棒」，然後再加熱它。從本質上來說，「預製棒」是光纖按比例放大的模型。在拉力作用下，軟化的材料被向下拉伸，生成的纖維通過線軸採集起來。
生產這些新型纖維的關鍵突破在於：在預製過程中，添加沙粒般大小的發光半導體二極體，以及寬度為人類髮絲幾分之一的銅線。在纖維拉伸過程中，當聚合物預製棒在熔爐中加熱時，它會部分液化，形成長長的纖維，圍繞著它的中心排列著二極體，並通過銅線連接在一起。
（圖片來源：MIT）
在這個案例中，固態元件是通過標準晶元技術製造的兩種二極體：發光二極體（LED）和光敏二極體。Rein 說：「在拉伸工藝中，設備和線都可以保持它們的尺寸，而它們周圍的一切都在縮小。」然後，生成的纖維會被編織到織物中。這種織物經過了10次洗滌，以證明它可以實際作為衣服材料使用。
論文領導作者、新工藝的概念設計者 Rein 表示：「這個方案為製造纖維的工藝增添了新見解。我們並不是在液態一起拉伸所有的材料，而是將設備以微粒形式與金屬細線混合在一起。」
將功能集成到纖維本身中的優點之一，就是生成的纖維具有與生俱來的防水性。為了證明這一點，團隊在魚缸中放置了一些感光纖維。魚缸外的一盞燈，將音樂（亨德爾的「水上音樂」）以快速光學信號的形式，通過水發送至纖維。魚缸中的纖維將光脈衝（這種脈衝非常快速，人眼看上去，光線是穩定不變的。）轉化為電信號，然後再轉化為音樂。這種纖維可以在水中生存達數周。
這種嵌入LED的纖維非常細，可以用來穿針。
（圖片來源：MIT）
雖然原理聽起來簡單，但是讓纖維持續工作並保證可靠的量產，是一個漫長而又艱難的過程。Jason Cox 和 Chia-Chun Chung 領導的美國先進功能纖維研究所的成員開發了一些方法來提高產量、生產能力與整體可靠性，讓這些纖維過渡到產業化。與此同時，來自英曼米爾斯的 Marty Ellis 採用傳統的工業製造級的織布機，開發出將這些纖維編織到織物中的新技術。
價值
迄今為止，集成半導體器件（現代電子學的關鍵字組成部分）創造「智能」織物，如同製造複雜功能織物所缺失的一塊拼圖，這也是科學家們長期追求的目標。如今，這一目標得以實現。
研究人員稱，這一發現將為纖維帶來一種新的「摩爾定律」。換句話說，這是一種飛速發展：纖維的能力隨著時間推移，將以指數方式迅速增長，就像過去幾十年晶元能力的增長一樣。
Fink 表示：「這篇論文描述了一種將半導體設備集成到纖維中的可升級的方案。我們正期待著未來幾年一種類似的『摩爾定律』出現在織物領域。它讓我們可以拓展織物的基本能力，以實現通信、照明、生理監測等功能。未來幾年中，織物將帶來增值服務，不再僅僅因為審美和舒適而被選擇。」
他說，第一個含有這項技術的商用產品最早將在明年上市，對於從實驗室研究到商業化來說，這是一個非常短的過程。他說，這樣迅速的「實驗室到市場」（lab-to-market ）的開發，是學術-產業-政府（例如一開始提到的AFFOA ）合作的關鍵。起初的應用將是涉及通信與安全的特殊產品。他表示：「這將是首個織物通信系統。我們現在正以前所未有的速度與規模將這項技術轉移到國內製造商與產業。」
除了商業應用，Fink 表示，美國國防部（AFFOA的主要支持者之一）「正在將這些想法應用於男款和女款的制服。」
研究人員稱，這些纖維除了通信，還有望在生物醫療領域帶來重要應用。例如，採用這些纖維的設備有望應用於手環，用來測量脈搏或血氧水平；或者編織到繃帶中，用來持續監測癒合過程。
關鍵字
半導體、智能織物、通信
參考資料
【1】http://news.mit.edu/2018/optoelectronic-diodes-fibers-fabrics-soft-hardware-0808
※無線電波與超材料相結合：能感知室內細微的人體運動！
※光譜隱身技術：讓隱身更接近現實！
TAG:IntelligentThings |