東華大學(xué)：“不插電”的發(fā)光發(fā)電纖維

你見過穿上身就能發(fā)光發(fā)電的纖維嗎？你期待智能可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)哪些功能？

4月5日，東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)功能材料課題組在《科學(xué)》上發(fā)表研究論文。

該研究提出了基于“人體耦合”的能量交互機(jī)制，并成功研發(fā)出集無線能量采集、信息感知與傳輸?shù)裙δ苡谝惑w的新型智能纖維，由其編織制成的智能紡織品無需依賴芯片和電池便可實(shí)現(xiàn)發(fā)光顯示、觸控等人機(jī)交互功能。

這一突破性成果為人與環(huán)境的智能交互開辟了新可能，具有廣泛應(yīng)用前景。

智能可穿戴設(shè)備正逐漸成為人們生活的一部分。目前，智能纖維的開發(fā)多基于“馮·諾依曼架構(gòu)”，智能紡織品仍依賴于芯片和電池，體積、重量和剛性大，難以同時(shí)滿足人們對紡織品功能性和舒適性的需求。

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“人體耦合”智能纖維的工作機(jī)制及其與傳統(tǒng)電子織物的對比。

東華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地提出了“非馮·諾伊曼架構(gòu)”的新型智能纖維，有效地簡化了可穿戴設(shè)備和智能紡織品的硬件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了它們的可穿戴性。

該研究實(shí)現(xiàn)了將能量采集、信息感知、信號傳輸?shù)裙δ芗�成于單根纖維中，并通過編織制成不依賴芯片和電池的智能紡織品。

“不插電”就能發(fā)光發(fā)電的纖維，到底有什么奧妙？在日常生活中，散布在環(huán)境中的電磁能量又是如何“傳遞”到纖維上的？

該研究提出把人體作為能量交互的載體，開辟了一條便捷的能量“通道”。原本在大氣中耗散的電磁能量優(yōu)先進(jìn)入纖維、人體、大地組成的回路，恰恰就是這一“日用而不覺”的原理，促成了“人體耦合”的新型能量交互機(jī)制。

在添加特定功能材料后，僅僅經(jīng)過人體觸碰，這種新型纖維就會(huì)展現(xiàn)發(fā)光發(fā)電的“神奇一幕”。

“這款新型纖維具有三層鞘芯結(jié)構(gòu)，所采用的均是市面上比較常見的原材料。芯層為感應(yīng)交變電磁場的纖維天線（鍍銀尼龍纖維）、中間層為提高電磁能量耦合容量的介電層（BaTiO3復(fù)合樹脂）、外層為電場敏感的發(fā)光層（ZnS復(fù)合樹脂）。原材料成本低，纖維和織物的加工都能夠用成熟的工藝實(shí)現(xiàn)，已具備量產(chǎn)能力。”論文第一作者、東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生楊偉峰說。

該研究還展示了這種基于人體耦合原理的智能纖維的幾種應(yīng)用：在不使用芯片和電池的情況下，實(shí)現(xiàn)了纖維觸控發(fā)光、織物顯示以及無線指令傳輸?shù)裙δ�。東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室侯成義研究員表示：“這種新型纖維能夠運(yùn)用到服裝服飾、布藝裝飾等日用紡織品中，當(dāng)它們與人體接觸時(shí)，通過發(fā)光進(jìn)行可視化的傳感、交互甚至高亮照明，同時(shí)它們還能對人體的不同姿態(tài)動(dòng)作產(chǎn)生無線信號，進(jìn)而對智能家電等電子產(chǎn)品進(jìn)行無線遙控。這些新穎的功能有望拓展電子產(chǎn)品的應(yīng)用場景，甚至改變?nèi)藗冎腔凵�活的方式�！?/p>

課題組組長王宏志教授介紹：“下一階段工作，我們將深入研究如何讓這種新型纖維能夠更有效地從空間中收集能量，并以此驅(qū)動(dòng)更多功能，包括顯示、變形、運(yùn)算、人工智能等。”