你是否見過穿上后就能自發(fā)光且發(fā)電的纖維?你希望智能可穿戴設(shè)備有哪些功能呢?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)》雜志上發(fā)表了他們的研究論文。該研究提出了一種基于“人體耦合”的能量交互機(jī)制，成功研發(fā)出一種新型智能纖維，這種纖維集成了無線能量采集、信息感知與傳輸?shù)裙δ堋Ｓ蛇@種纖維編織而成的智能紡織品，無需依賴芯片和電池，就能實(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。
“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(duì)比。受訪對(duì)象供圖
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(duì)紡織品功能性和舒適性的需求。
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(hào)傳輸?shù)裙δ芗捎趩胃w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堋|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(duì)人體的不同姿態(tài)動(dòng)作產(chǎn)生無線信號(hào)，進(jìn)而對(duì)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)藗冎腔凵畹姆绞健?rdquo;
王宏志教授，課題組的負(fù)責(zé)人，分享了他們的未來計(jì)劃：“在接下來的研究中，我們將專注于探索如何使這種創(chuàng)新纖維更高效地從環(huán)境中捕獲能量，并利用這些能量來驅(qū)動(dòng)更廣泛的功能，如顯示技術(shù)、形態(tài)變化、數(shù)據(jù)處理和人工智能等。”
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