當衣服有了“超能力”

可儲能充電、可監測健康、可變色發光……隨著科技進步，未來衣服的功能將不再是簡單的御寒或裝扮；將“顯示器”穿戴在身上、一鍵變硬、自潔抗噪……這些科幻作品中的場景，如今已變成現實。

《“健康中國2030”規劃綱要》提出，要發展健康服務新業態，探索推進可穿戴設備、智能健康電子產品和健康醫療移動應用服務。在科學家們的探索下，種種神奇織物，顛覆了人們對傳統顯示器件和紡織品的認知，也正在推動相關產業的變革。

向爬山虎取經

走進復旦大學彭慧勝院士團隊的實驗室，《瞭望東方周刊》記者看到，可充電概念背包在變形、水洗、強紫外照射后，仍能穩定供電；多功能消防服在高溫火場的模擬環境中，即使被磨損剪斷，也沒有發生著火、爆炸等安全意外，并可穩定地為對講機、傳感器等消防員隨身設備供電。

該實驗室工作人員表示，試制可充電概念背包、多功能消防服，是為了向大眾直觀展示纖維電池織物的應用潛力。

作為能源領域的全新研究方向，纖維電池在發展中長期面臨三個難題：是否可以通過設計纖維結構獲得柔軟的電池？是否能制備高能量密度的纖維電池？是否能實現高安全性纖維電池？換言之，就是纖維電池不僅要足夠軟，可以編織成織物穿在身上，還要能量足夠強大、性能足夠安全。

“纖維電池織物的應用，有廣闊的想象空間，比如應用于軟體機器人、虛擬現實設備等，可服務消防救災、極地科考、航空航天等多個重要領域。”

歷經16年探索，彭慧勝院士團隊不斷攻關，終于在2024年攻下了最后一個堡壘。

突破源于團隊負責人、中國科學院院士彭慧勝對爬山虎的觀察和思考。彭慧勝表示，訪問中國科學院上海硅酸鹽研究所時，他注意到建筑上的爬山虎緊密、穩定地纏繞在另一根植物藤蔓上，這給他一直在思考的研究難題帶來了靈感。

他拔下爬山虎仔細察看，并帶回實驗室探究。原來，爬山虎之所以與植物藤蔓“如膠似漆”，在于爬山虎能分泌一種具有良好浸潤性的液體，液體滲透到兩者接觸表面的孔道結構后發生聚合反應，將兩者緊緊地粘在了一起。

受爬山虎啟發，彭慧勝團隊通過設計具有孔道結構的纖維電極，讓高分子凝膠電解質與電極“如膠似漆”，從而實現了纖維電池織物高安全性與高儲能性的兼而有之。

據介紹，該團隊已實現數千米長度纖維電池的制備，其能量密度達到128瓦時/公斤，可有效為無人機等大功率用電器材供電；通過自主設計關鍵設備，已建立中試生產線，實現了每小時300瓦時的產能，相當于每小時生產的電池可同時為20部手機充電。對此，彭慧勝表示：“纖維電池織物的應用，有廣闊的想象空間，比如可應用于軟體機器人、虛擬現實設備等，可服務消防救災、極地科考、航空航天等多個重要領域。”

“預知”健康

在西北工業大學柔性電子研究院，也有一款神奇織物，穿上即可“預知”人體健康狀況的下一秒。

“經數據分析，您的體能已達極限，請盡快調整運動狀態！”“警報！您的體征信息有異常，患心腦血管疾病的概率已超過80%，請前往醫院做進一步檢查！”這是西北工業大學黃維院士團隊與北京理工大學宋維濤教授合作的研究成果——一種可用于人體健康監測的柔性纖維應變傳感器。

據悉，科研團隊將高性能纖維應變傳感器織入衣服中，并開發了柔性可穿戴智能健康監測系統。整個研發中，最具挑戰的要數制備兼具較高機械強度和優異拉伸性能的導電纖維材料。為攻克這個難題，該團隊研發出一種高強度、高彈性的新材料，作為導電纖維傳感器的內芯。

“盡管它一根只有1/10頭發絲粗細，卻可以輕易提起10克重的砝碼，也可以準確檢測同一張桌子上掉落繡花針產生的微弱振動。”西北工業大學黃維院士團隊的王學文教授介紹道，在新材料增強力學性能的同時，團隊又利用靜電紡絲（一種特殊的纖維制造工藝，利用聚合物溶液或熔體在強電場中進行噴射紡絲）?等技術，成功提高了導電纖維傳感器對外部活動的敏感度。

目前，該智能電子服裝可實現對身體震顫、脈搏、呼吸、手勢及6種人體運動姿態的實時監測。未來，柔性可穿戴電子系統作為新型便攜式電子設備，在人機交互、狀態監測、醫療保健等領域具有廣泛應用。

智能變色

在2023年秋冬巴黎時裝周上，模特們身穿仿佛白色畫布的服裝，從天而降的紫外線照燈裝置緩緩掃過，科幻般的圖樣瞬間顯現……

事實上，這種智能變色織物，在服裝行業已不鮮見。

“顧名思義，智能變色織物是一種能對外界環境因素的變化作出響應的智能紡織品。”天津工業大學紡織科學與工程學院教授馬曉光稱，將變色材料添加到紡織材料上，紡織材料的顏色會在受到光源、溫度等外界環境因素刺激后，發生可逆性變化，從而營造出絢麗多彩的視覺效果。

他表示，智能變色織物的應用領域非常廣闊。在時裝界，越來越多的國際時裝品牌將熱致變色材料應用于成衣設計中，將智能變色與服裝設計相結合。在一般的民用服裝領域，智能變色織物同傳感器件結合，能達到情感表達、健康監測等目的。

比如，將智能變色織物設計成可監測耐力及溫度的運動衣，就可以通過衣服顏色的變化實時掌握運動員的身體疲勞程度；設計成具有過熱警示功能的衣服給嬰兒穿，當衣服的顏色發生變化，就能提醒照護者，嬰兒可能在發燒。

“現在，具有熱致變色功能的紡織材料還越來越多地應用于航空航天、軍工等領域。”馬曉光表示，智能變色織物的市場前景非常看好。

該織物可將舉起重物所需的肌肉力量減少 40%，這對帕金森病等運動障礙患者尤其有用，還可用于“膝關節應用”，以改善步態和防止跌倒。

神奇功能

人類使用高分子纖維材料作為織物的歷史，可追溯至5000年前，但時至今日，織物的主要功能還停留在防寒保暖、舒適美觀上。進入高速發展的信息時代，織物還有哪些神奇功能值得期待？

對此，彭慧勝的設想是“將所有電子元件纖維化，打造‘智能織物系統’，即通過一塊柔軟的織物，來實現所有需要的功能”。

比如，當地質工作者在野外工作時，只需在衣服上輕點幾下，就能實時顯示位置信息；語言障礙者的衣服可以像顯示器一樣，協助穿戴者與別人更加高效便捷地溝通。

新加坡南洋理工大學的科學家團隊則從穿山甲和犰狳交錯的鱗片中汲取靈感，開發了可以根據需要“一鍵變硬”的神奇織物。研究人員稱，該織物可將舉起重物所需的肌肉力量減少 40%，這對帕金森病等運動障礙患者尤其有用，還可用于“膝關節應用”，以改善步態和防止跌倒。

美國麻省理工學院的科學家受降噪耳機的啟發，設計了一種特殊的絲綢織物。乍一看，它與普通絲綢并無二致，薄而輕盈，手感絲滑，但織入其中的卻是一根根擁有“超能力”的壓電（壓電，指某些特定的材料在受到機械應力時，表面會產生電荷，從而形成電壓）纖維。通過控制壓電纖維的振動，織物可發出特定頻率的聲波，與噪音“打對臺”，進而消音。

神奇織物充滿了無限可能。但需要注意的是，這些織物要想成為市場上能買到的商品，除了技術攻關，成本也是必須考慮的問題。

“以纖維電池織物為例，物料成本是每米0.5元左右，量產后還能更低；做成電池電芯的直徑是500微米，未來也能做得更細。”彭慧勝呼吁科學家與產業界加強合作，進一步降低成本，早日實現未來織物的規模應用。