想象一下，一頂可清洗的帽子可以幫助視障人士感知交通信號(hào)燈的變化，或者一件衣服可以在穿著者瀏覽博物館時(shí)充當(dāng)導(dǎo)游。

這些不可思議的場(chǎng)景，看似離我們很遙遠(yuǎn)，或許已經(jīng)近在眼前。

來(lái)自南洋理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)便成功開(kāi)發(fā)出了這樣一種“黑科技”電子纖維。它可以被編織進(jìn)衣物內(nèi)，在交通感知、心率監(jiān)測(cè)等方面展現(xiàn)出了卓越的性能。

值得一提的是，這種電子纖維不僅可以無(wú)缺陷延展數(shù)百米長(zhǎng)、具有出色的耐久性，而且還防水，適用于水下應(yīng)用。

相關(guān)研究論文以“High-quality semiconductor fibres via mechanical design”為題，剛剛發(fā)表在權(quán)威科學(xué)期刊 Nature 上。

在一篇同期發(fā)表的新聞與觀點(diǎn)文章中，弗吉尼亞理工大學(xué)副教授賈曉婷和她的學(xué)生 Alex Parrott 表示，這項(xiàng)技術(shù)的制造設(shè)備在工業(yè)應(yīng)用上的成熟度，以及在紡織業(yè)的廣泛應(yīng)用，使其具備了商業(yè)化的潛力。他們認(rèn)為，這項(xiàng)工作“在將微型計(jì)算機(jī)嵌入日常服裝的方向上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)飛躍。”

可水洗的高性能柔性纖維

人類(lèi)對(duì)于纖維的利用可以追溯到石器時(shí)代，而現(xiàn)代人類(lèi)對(duì)纖維的追求不僅僅局限于其隔熱功能。

近年來(lái)，可穿戴設(shè)備的飛速發(fā)展少不了纖維的功勞。由于舒適性和靈活性有限，傳統(tǒng)的硬性電子設(shè)備往往難以與日常服飾融合。

可穿戴設(shè)備更是難上加難，它同時(shí)需要纖維和傳感器，而將半導(dǎo)體器件集成到纖維中，對(duì)纖維有著巨大的考驗(yàn)。

最重要的是纖維的耐磨性：它必須足夠柔韌，易于扭曲，以便編織；此外，它還能夠水洗，可重復(fù)使用；并且透氣，讓人們有著舒適的穿著體驗(yàn)。

許多研究人員通過(guò)創(chuàng)建由非晶半導(dǎo)體材料制成的智能光纖設(shè)備來(lái)同時(shí)這些功能。問(wèn)題是，現(xiàn)有的制造方法可能會(huì)產(chǎn)生帶有斷裂、有缺陷的半導(dǎo)體芯的螺紋，影響纖維的性能。

基于這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了柔軟電子纖維的研究之旅。

他們的目標(biāo)是創(chuàng)造一種能夠被編織進(jìn)日常服飾、同時(shí)具備卓越性能的纖維。他們想把穿戴科技滲透在衣物之間的，將其變成能夠融入日常生活的智能科技。

他們?cè)谘芯恐袑?duì)制備過(guò)程進(jìn)行深入剖析，摒棄傳統(tǒng)手法的缺陷，采用了創(chuàng)新的方式將微小的半導(dǎo)體器件引入纖維，創(chuàng)造了百米級(jí)別的無(wú)瑕纖維。

圖｜柔性電子纖維的設(shè)計(jì)和構(gòu)造。a）由玻璃包層（紫色）和半導(dǎo)體芯（黑色）制成的預(yù)制棒被拉制成光纖尺寸；b）具有不同程度毛細(xì)管不穩(wěn)定性的纖維的示意圖（左）和光學(xué)圖像（右）；c）纖芯幾何形狀與不同的應(yīng)力水平相關(guān)。光纖示意圖（左）和光學(xué)圖像（右）顯示了完整和破裂的纖芯響應(yīng)制造過(guò)程中形成的應(yīng)力；d）通過(guò)一次拉絲工藝制造出約一百米的連續(xù)半導(dǎo)體芯光纖，玻璃覆層可以通過(guò)酸蝕刻去除；e）會(huì)聚光纖拉絲技術(shù)示意圖，暴露的半導(dǎo)體纖維和金屬線可以在該過(guò)程中保持堅(jiān)固性；f）由所得光電纖維實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模功能織物。在這一過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)精準(zhǔn)的材料選擇，以及對(duì)制備工序詳細(xì)的力學(xué)分析，掌握了纖維制備中的應(yīng)力源，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、高性能的柔軟纖維。

在這一過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)精準(zhǔn)的材料選擇，以及對(duì)制備工序詳細(xì)的力學(xué)分析，掌握了纖維制備中的應(yīng)力源，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、高性能的柔軟纖維。

圖｜制作方法。首先將半導(dǎo)體線插入玻璃管內(nèi)，兩者同時(shí)加熱至足夠軟，拉成細(xì)線，冷卻后用氫氟酸去除玻璃；然后將線材與金屬線材一起送入聚合物管中再次加熱，拉成數(shù)百米長(zhǎng)的柔性線。這種柔性線即可編織成能夠檢測(cè)和處理信號(hào)的織物。

這項(xiàng)革新技術(shù)借鑒了光纖制備的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，充分利用了紡織業(yè)廣泛采用的工具。通過(guò)一系列巧妙的步驟，研究人員不僅創(chuàng)造出具備光電特性的柔軟纖維，更將其無(wú)縫地嵌入到日常服裝中。

這仿若現(xiàn)代瑰麗的魔法，為未來(lái)的智能服飾提供了充滿想象力的可能性。

你可以想象一下，帽子上嵌入了這樣的纖維，能夠感知交通燈的信號(hào)并通過(guò)手機(jī)提醒佩戴者，對(duì)盲人十分友好。

盡管軟性電子纖維的出現(xiàn)為可穿戴設(shè)備領(lǐng)域帶來(lái)了前所未有的創(chuàng)新，然而，這項(xiàng)研究也有一些局限性和挑戰(zhàn)。

例如，雖然該研究在纖維制備過(guò)程中克服了半導(dǎo)體器件容易斷裂的問(wèn)題，但纖維的外包覆材料卻犧牲了一定的實(shí)用性，特別是在需要保持柔軟性和透氣性的服裝應(yīng)用中。這對(duì)外包材料的選擇提出了更高的要求。

另外，在生產(chǎn)方面，當(dāng)前的技術(shù)路線需要對(duì)纖維進(jìn)行后期處理，以將其從外層材料中脫離出來(lái)，這一步驟可能會(huì)增加生產(chǎn)成本，并對(duì)環(huán)保性產(chǎn)生一定影響。

此外，為了保證纖維的高質(zhì)量，研究團(tuán)隊(duì)采用了后期添加單晶半導(dǎo)體的處理方法，這在一定程度上限制了材料的可用性和生產(chǎn)效率。

可穿戴設(shè)備，擁有無(wú)限可能

柔性電子纖維的誕生，不僅僅是一項(xiàng)科技突破，更是時(shí)尚與科技融合的嶄新嘗試。

賈曉婷和 Alex Parrott 指出，用于制造這些纖維的設(shè)備已經(jīng)包括了一種纖維牽引裝置，該裝置在電信行業(yè)中已經(jīng)廣泛用于生產(chǎn)商用光纖。一旦這些纖維制備完成，就能夠利用紡織業(yè)中已經(jīng)廣泛采用的工具，將其巧妙地編織成各種織物。

他們表示，未來(lái)一個(gè)令人興奮的方向是為纖維配備更復(fù)雜的器件，如晶體管，并提高這些功能元件的密度。目前的方法有一個(gè)局限性，它需要一個(gè)后處理步驟，才能將質(zhì)量極高的（單晶）半導(dǎo)體融入纖維中。

除了利用新型纖維將可穿戴設(shè)備融入日常生活，可穿戴設(shè)備還擁有其他可能。

去年 12 月，南開(kāi)大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種可以全天太陽(yáng)能供電的雙向溫度調(diào)節(jié)服裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)快速熱調(diào)節(jié)可以將熱舒適區(qū)從 22°C 至 28°C 擴(kuò)展到 12.5°C 至 37.6°C，且具有快速的體溫調(diào)節(jié)速率，從而確保在各種復(fù)雜和不穩(wěn)定環(huán)境中人體的安全和舒適。

據(jù)介紹，該系統(tǒng)可以在極地地區(qū)和個(gè)體太空行走等惡劣環(huán)境中增加人類(lèi)的生存能力，為擴(kuò)展人類(lèi)對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性提供了多種可能性。

2022 年 6 月，來(lái)自新加坡南洋理工大學(xué)和清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合開(kāi)發(fā)出了一種可伸縮的防水“織物”，這種織物可以將人類(lèi)身體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化為電能。經(jīng)洗滌、折疊和褶皺后，織物的性能也不會(huì)出現(xiàn)下降，甚至可以在長(zhǎng)達(dá) 5 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，保持穩(wěn)定的電力輸出。

看到這里，不妨想象一下，在不久的將來(lái)，我們穿戴的不再只是普通衣物，而是能與周?chē)h(huán)境無(wú)縫連接、互動(dòng)、自供電的智能織物，到那時(shí)，我們的日常生活將是怎樣的？