智能紡織品讓生活更炫酷

李偉

清晨，當(dāng)你被設(shè)定的鬧鐘叫醒，眼前的窗簾上為你展示出當(dāng)日的天氣、交通狀況等信息;起身下床之前，你可以看看被子上顯示的昨夜睡眠情況和身體各項(xiàng)健康指標(biāo);放在地毯上的手機(jī)已經(jīng)充好電;衣服可以充當(dāng)觸摸屏，方便你隨時(shí)隨地處理各項(xiàng)事務(wù)……這聽(tīng)上去像是科幻小說(shuō)中的場(chǎng)景。劍橋大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)或許能在不久的將來(lái)讓這一切成為現(xiàn)實(shí)。

隨著智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等概念的普及，智能紡織品也成為科學(xué)家研究的焦點(diǎn)之一。如果大街小巷、千家萬(wàn)戶隨處可見(jiàn)紡織品充當(dāng)各類電子元器件，那么我們的生活勢(shì)必變得更加便捷、炫酷。不過(guò)，智能紡織品的功能、尺寸和形狀一直受到制造工藝的限制。特殊纖維的制造受到尺寸限制，無(wú)法投入實(shí)際應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)和編織工藝也存在難點(diǎn)。

有相關(guān)研究提出，可以通過(guò)傳統(tǒng)的編織或針織工藝，將某些特殊的智能纖維直接整合到紡織品中。一旦成功，就意味著它們可以被制成日常用品，從而大大擴(kuò)展智能紡織品的應(yīng)用前景。

劍橋大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種基于紡織品的智能顯示系統(tǒng)，將智能傳感器、LED顯示器、電能收集與存儲(chǔ)裝置集成到紡織品中，不僅能實(shí)時(shí)顯示信息，提供觸摸交互模式，還能任意彎曲折卷。

據(jù)英國(guó)《自然通信》雜志報(bào)道，這個(gè)研發(fā)項(xiàng)目首次使用完全基于纖維的制造工藝，將可擴(kuò)展的復(fù)雜電子系統(tǒng)集成到紡織品中，使其具有融合在日常物品中、可直接投入大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用前景。

劍橋大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)編織出一些基于纖維的組件，確保其可靠性和耐用性。他們使用導(dǎo)電黏合劑和激光焊接技術(shù)，將多個(gè)光纖組件連接一起。這套方法建立在納米技術(shù)、先進(jìn)顯示器、傳感器、能源技術(shù)和紡織品制造工藝的融合之上。

結(jié)合這些技術(shù)，再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)、可擴(kuò)展的紡織品制造工藝，即可將多種功能整合到一大塊機(jī)織紡織品中。這種織物可用于顯示信息、監(jiān)控輸入信息及存儲(chǔ)能量。當(dāng)顯示器播放彩色影像時(shí)，也能像布料那樣彎曲。其里面的傳感器和天線由纖維構(gòu)成，這些纖維能檢測(cè)到射頻信號(hào)、觸摸動(dòng)作、光線和溫度，在傳輸電能的同時(shí)，還能存儲(chǔ)一定的能量。

這種可操作的智能紡織品，是智能家居和物聯(lián)網(wǎng)方面的革命性應(yīng)用。其中的分立式元器件展示了材料技術(shù)和制造技術(shù)的新穎性，包括顯示、電力傳輸、觸摸傳感、光電檢測(cè)、信號(hào)監(jiān)測(cè)和能量存儲(chǔ)等。

那么，該系統(tǒng)的功能具體是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

劍橋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出名為F-devices的智能紡織品系統(tǒng)，其原型設(shè)備的對(duì)角線長(zhǎng)約46英寸。雖然外觀與普通布藝紡織品別無(wú)二致，但它可以作為電子顯示屏運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示射頻信號(hào)、溫度、光線、觸摸動(dòng)作信息、生物傳感信息，還能自動(dòng)收集并存儲(chǔ)電能。

研究團(tuán)隊(duì)將射頻天線、光電探測(cè)器、觸摸傳感器、溫度傳感器、生物傳感器模塊、能量存儲(chǔ)模塊六大纖維部件集成起來(lái)，同時(shí)以RGB纖維為原材料，實(shí)現(xiàn)了顯示屏的多重功能。其中，光電探測(cè)器與溫度傳感器用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，當(dāng)接收輸入信號(hào)后（比如被紫外線照射），該智能顯示屏就會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前信息。生物傳感器則用于監(jiān)測(cè)人體各項(xiàng)指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)中，工作人員使用該系統(tǒng)讀取自身心跳，顯示屏實(shí)時(shí)顯示心電圖。觸摸傳感器則被設(shè)計(jì)用于操作每個(gè)光纖設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)生活應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)在其中加入了智能小工具和與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的數(shù)十個(gè)執(zhí)行術(shù)語(yǔ)。此外，研究團(tuán)隊(duì)還在智能紡織品顯示屏上集成了電量收集與存儲(chǔ)模塊，從而保證可獨(dú)立地向顯示屏持續(xù)供電。

為了讓智能顯示屏與編織工藝完美融合，研究團(tuán)隊(duì)在每個(gè)纖維部件上都涂覆了可承受足夠拉伸力的材料。

為了提高智能顯示屏的可靠性和耐用性，研究團(tuán)隊(duì)還編織了一些基于纖維的組件，經(jīng)過(guò)1000次機(jī)械與電氣穩(wěn)定性測(cè)試以及防水測(cè)試，光纖組件均無(wú)機(jī)械性損傷，其性能偏差也被控制在可接受的范圍之內(nèi)。

能感受到觸摸的電子紡織品

電子紡織品

智能電子紡織品

盡管涉及的技術(shù)原理并不復(fù)雜，但要編織出工整的智能電子布料，十分考驗(yàn)技巧和耐心——一塊毛巾大小的智能布料，就需要幾名科研人員編織好幾天。在分線時(shí)，要把上百根細(xì)線一根根地分開(kāi)，然后再一根根穿過(guò)孔洞。編織時(shí)，不僅要將梭子來(lái)回穿插，還得不斷手動(dòng)調(diào)整，以確保成品智能布料的松緊度均勻。為了讓編織好的紡織材料更具藝術(shù)感，科研人員還要將其邊緣打成流蘇結(jié)。

研究團(tuán)隊(duì)表示，此次制造的原型顯示器，為下一代電子紡織品的應(yīng)用鋪平了道路。這些應(yīng)用可能涉及智能與節(jié)能建筑等領(lǐng)域，比如采用智能紡織品技術(shù)的建筑可以自行生產(chǎn)和存儲(chǔ)能源。此外，物聯(lián)網(wǎng)、分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)以及與紡織品集成的、可穿戴的交互式顯示器，都將向前邁進(jìn)一大步。

此項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者之一、劍橋大學(xué)工程系教授金中民表示：“我們的方法建立在微納米技術(shù)、先進(jìn)顯示器、傳感器、能源和工業(yè)紡織品制造的重重融合之上，這朝著在日常生活中充分利用可持續(xù)、便捷的電子纖維和電子紡織品邁出了重要一步。”

這些靈活而實(shí)用的智能紡織品，最終可以被制成電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池板和其他設(shè)備。

正如另一位研究領(lǐng)導(dǎo)者、劍橋大學(xué)工程系教授路易吉所說(shuō)：“通過(guò)集成基于光纖的電子、光子、傳感和能量功能，我們可以開(kāi)發(fā)全新的智能設(shè)備和聯(lián)合系統(tǒng)。此次研究是對(duì)紡織制造潛力的一次深入探索，通過(guò)該技術(shù)，我們很快就會(huì)看到能源自主的智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這些設(shè)備將可以無(wú)縫集成到日常物品和許多其他行業(yè)應(yīng)用中。”

智能電子紡織品可用于制造運(yùn)動(dòng)服

該顯示器在智能家居和物聯(lián)網(wǎng)中有著巨大潛力，并為下一代電子紡織品應(yīng)用鋪平了道路，應(yīng)用場(chǎng)景包括可以產(chǎn)生和儲(chǔ)存自身能源的節(jié)能建筑、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)以及交互式顯示器等。不難想象，在不久的將來(lái)，家里掛的窗簾其實(shí)就是電視機(jī)或顯示器。

再想象一下，當(dāng)廠商去參加展會(huì)，需要提早打印好海報(bào)，如果要顯示視頻，還得提前運(yùn)送并架設(shè)好顯示器。得益于智能紡織品的可彎曲性和可卷曲性，以后只須做好電子文檔，帶著輕便的紡織顯示器來(lái)到展覽館即可。對(duì)于觀展者來(lái)說(shuō)，還可通過(guò)集成的觸摸傳感器與顯示器進(jìn)行互動(dòng)。

據(jù)悉，該原型設(shè)備不僅可像電視一樣作為顯示彩色影像的顯示器，還可捕捉心臟活動(dòng)并將其顯示為心電圖。劍橋大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)正在和歐洲的一些企業(yè)合作，以使該技術(shù)盡早應(yīng)用于人們的日常生活。他們還將把可持續(xù)使用的材料整合入纖維，以提供一種新型能源紡織系統(tǒng)。這種兼具柔性和功能性的智能織物，最終可以制成電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池板和其他設(shè)備。

編輯：姚志剛? winter-yao@163.com