你見過穿上身就能發光發電的纖維嗎？你期待智能可穿戴設備能實現哪些功能？對于未來的人機交互場景，你又有如何暢想？
4月5日，東華大學材料科學與工程學院先進功能材料課題組在Science（《科學》）上發表了題為“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”的研究論文。該研究提出了基于“人體耦合”的能量交互機制，并成功研發出集無線能量采集、信息感知與傳輸等功能于一體的新型智能纖維，由其編織制成的智能紡織品無需依賴芯片和電池便可實現發光顯示、觸控等人機交互功能，這一突破性成果為人與環境的智能交互開辟了新可能，具有廣泛應用前景。
東華大學材料科學與工程學院博士研究生楊偉峰為論文第一作者，纖維材料改性國家重點實驗室（東華大學）王宏志教授、侯成義研究員，以及東華大學材料科學與工程學院張青紅研究員為論文通訊作者。該研究工作由東華大學作為唯一通訊單位主導完成，合作單位包括新加坡國立大學與安徽農業大學。
隨著科技不斷發展，智能可穿戴設備正逐漸成為我們生活的一部分，并在健康監測、遠程醫療和人機交互等領域發揮著越來越重要的作用。相較于傳統剛性半導體元件或柔性薄膜器件等，由智能纖維編織而成的電子紡織品具有更好的透氣性和柔軟度，被視為理想的可穿戴設備載體。目前，智能纖維的開發多基于“馮·諾依曼架構”，即以硅基芯片作為信息處理核心開發各種電子纖維功能模塊，如信號采集的傳感纖維、信號傳輸的導電纖維、信息顯示的發光纖維、能量供應的發電纖維等。盡管這些功能單元可組合制成織物形態，但這種復雜的多模塊集成技術還面臨著一系列挑戰。現階段的智能紡織品仍依賴于芯片和電池，體積、重量和剛性大，難以同時滿足人們對紡織品功能性和舒適性的需求。
“人體耦合”智能纖維的工作機制及其與傳統電子織物的對比
該研究中，東華大學科研團隊開創性地提出了“非馮·諾依曼架構”的新型智能纖維，有效地簡化了可穿戴設備和智能紡織品的硬件結構，優化了它們的可穿戴性。該工作實現了將能量采集、信息感知、信號傳輸等功能集成于單根纖維中，并通過編織制成不依賴芯片和電池的智能紡織品。
“不插電”就能發光發電的纖維，其中到底有怎樣的奧妙呢？在我們的日常生活中，電磁場和電磁波無處不在，散布在環境中的這些電磁能量就是這種新型纖維的無線驅動力。而這些能量又是如何“傳遞”到纖維上面的呢？答案就是我們的身體。該工作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先進入纖維、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”的新型能量交互機制。在添加特定功能材料以后，僅僅經過人體觸碰，這種新型纖維就會展現發光發電的“神奇一幕”。
人體耦合電磁能量收集示意圖
“這款新型纖維具有三層鞘芯結構，所采用的均是市面上比較常見的原材料。芯層為感應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復合樹脂）、外層為電場敏感的發光層（ZnS復合樹脂）。原材料成本低，纖維和織物的加工都能夠用成熟的工藝實現，已具備量產能力。”楊偉峰說。
觸控發光纖維與織物、無線游戲操控的演示
該工作還展示了這種基于人體耦合原理的智能纖維的幾種應用：在不使用芯片和電池的情況下，實現了纖維觸控發光、織物顯示以及無線指令傳輸等功能。侯成義研究員表示，“這種新型纖維能夠運用到服裝服飾、布藝裝飾等日用紡織品中，當它們與人體接觸時，通過發光進行可視化的傳感、交互甚至高亮照明，同時它們還能對人體不同姿態動作產生獨特的無線信號，進而對智能家電等電子產品進行無線遙控。這些新穎的功能有望拓展電子產品的應用場景，甚至改變人們智慧生活的方式。”
對智慧生活場景的展望
創新成果的背后是對未知的執著追求和創新人才培養的不懈探索。“學科交叉融合是當前科研創新的新趨勢，這項研究涉及到材料、信息、紡織等多個學科，在學生培養過程中我們一直堅持因材施教，根據學生不同興趣，突出差異化指導，尤其是鼓勵引導學生聚焦學術前沿，開展多學科交叉融合創新研究，這樣才能產出更多具有突破性的成果。”楊偉峰的博士生導師張青紅研究員說。
科研突破的取得更是長期積累的結果。據課題組組長王宏志教授介紹，東華大學先進功能材料課題組一直致力于智能纖維材料與器件的研究，從2012年研究石墨烯導電纖維開始，到2016年研發出電致變色纖維，再到2018年搭建成了首條電致變色和力致發電纖維生產線，實現連續化、規模化制備；隨后，團隊相繼研發出可連續制備的傳感纖維、發光纖維、調溫纖維，……一系列成果為深化智能纖維領域研究奠定了基礎。“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，并以此驅動更多功能，包括顯示、變形、運算、人工智能等，相信在不久的未來，智能服裝能做更多事，人會變得更加強大，對于環境也會有更好的適應性。”
同期，Science還邀請美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校、麻省理工學院的專家對該成果進行了評述報道。該成果被認為有望改變人與環境以及人與人之間的交互方式，對功能性纖維的開發以及智能紡織品在不同領域的應用具有重要的啟發意義。在基礎研究方面，因為該智能纖維和紡織品能夠在不干擾人們日常活動的情況下“不知不覺地”大規模采集身體觸覺數據，因此能夠更高效和便捷地收集人體與外界交互過程中的物理信息，這將有望影響人體物理交互研究用基礎模型的發展。
