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未來智能穿戴:把計算機“織”進纖維里

  11月中旬,刊發于《自然》雜志官網的一篇文章顯示,哈佛大學的研究人員開發出了一種超靈敏、彈性極強、可嵌入到紡織品和柔性機器人系統中的應變傳感器,由其組裝的智能織物可在大部分情況下保持原狀。舉例來說,由這種智能織物制成的衣物,不僅可以讓人們把計算機“穿”在身上,而且在無數次清洗、拉扯后依舊能夠正常使用。

  據英國劍橋大學預測,2022年采用智能紡織品的可穿戴產品市場將達到700億美元。在智能織物領域的研究中,織物電子技術占有重要席位。此前在香山科學會議召開的學術討論會中,相關專家專門探討了織物電子、傳感和計算的學術前沿、核心技術與應用展望。

  顛覆傳統織物概念

  在纖維層面構造集成電路

  “織物電子是一種在纖維或纖維集合體(或面料)維度上生成電路、傳感(執行)、能量、計算和通信器件的電子技術?!彪娮涌萍即髮W移動計算中心教授陳東義表示,“以織物電子為支撐理論和技術的智能織物與服裝將驅動人類社會邁向泛智能時代,重構人類生活和生存方式,催生新興戰略產業?!?/p>

  據了解,織物電子是基于技術演進提出的新概念,涉及電子織物在傳感執行和計算上的功能實現等領域,與柔性電子等有著明顯差異?!叭嵝噪娮邮菍⒂袡C或無機材料電子器件制作在柔性或可延性塑料或薄金屬基板上,通常包含電子元器件、柔性基板、交聯導電體和黏合層等4個部分,主要采用‘印刷’的方式實現?!标悥|義說,“但是,織物電子可以采用有機、無機和蛋白纖維材料為原料,還能夠使用編織、刺繡、針織、熔噴與黏合等工藝?!?/p>

  在織物電子技術中,最核心的組成部分就是織物電子器件?!翱椢镫娮悠骷侵妇哂挟a生、傳輸、調制和測量電子功能的纖維或纖維集合體(紗線和織物等)?!毕愀劾砉ご髮W智能可穿戴研究中心陶肖明教授說,織物電子器件有兩類,一類用具有電子功能的材料直接生成纖維、紗線或織物,另一類用微電子器件如芯片結合于纖維中再形成多功能織物??椢镫娮悠骷哂腥嵝?、大面積、三維變形、輕盈、透氣、穿著舒適等優勢。

  兼顧電子器件功能和可穿戴性

  是織物電子發展最大瓶頸

  現實情況是,我們目前所能接觸到的智能織物主要是把智能器件鑲嵌在鞋子或衣服上,然而這并不是織物電子的終極追求。

  “目前織物電子的發展還處于初始階段,傳統電子領域產品開發依然占據主導地位,因此大多數智能服裝研究主要專注于如何將器件和模塊縫制或嵌入到衣服中,以及如何增強可靠性、牢固性等技術問題,而忽視了纖維和織物電子研發與加工技術問題?!标悥|義指出。

  陶肖明認為,織物電子技術能夠結合傳統紡織品的舒適性、外觀和電子產品的功能性、連接性,無疑極具市場潛力。但是可靠性、交叉兼容性、設備適用性、材料可用性和間接成本等方面的挑戰,一直阻礙著織物電子產品的商業化進程。

  “形成織物電子器件或系統需要應用傳感技術、數據傳輸和存儲技術、數據顯示技術、能源供給技術、連接技術等。如何在保持電子器件功能性和可靠性的同時兼顧織物優異的可穿戴特性,這是目前織物電子發展的最大瓶頸?!碧招っ鞅硎?。

  她認為,理想的織物電子器件或系統的功能材料結構和性能方面還存在一系列的挑戰?!白璧K織物電子系統發展的主要原因是其器件性能不足、生產加工一致性低、缺乏系統的研究和標準?!?/p>

  除了材料需要在實現電氣性能的同時滿足特定的機械和化學性能要求外,織物電子的發展還面臨著諸多挑戰,例如,設計環節中包括在織物和纖維層次上構造傳感、計算器件或集成電路,目前尚無成熟的設計自動化與分析工具;另外,電子織物對制造環境要求苛刻,目前還缺乏技術標準、測試方法和制造設備等。

  對此,陳東義提到,織物電子可以從納米材料和結構上尋找突破;傳統電子、柔性電子和織物電子的結合是近期智能織物與服裝產品化的重要途徑。


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