来源：世界物联网博览会，
编辑：感知芯视界 Link
近日，我国科学家在国际顶级期刊《Science》发表了题为《Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics》（单体耦合光纤可实现无芯片纺织电子产品）的论文。
该论文首创性地研发出集无线能量采集、信息感知与传输等功能于一体的新型智能纤维，由其编织制成的纺织品无需依赖芯片和电池便可实现发光显示、触控等人机交互功能。有望为柔性传感器的实现带来突破性变革。
▲来源：《Science》
▲来源：新华社
▲来源：《Science》
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手指和i-fiber材料之间的接触导致界面电场的变化，从而产生光和电无线信号，有望进行环境电磁能量的采集，解决柔性传感供电问题。
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通过与身体电磁场的耦合，该智能纤维能实现无需电池或芯片的触摸式像素显示效果，实现可视化传感触摸控制。
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此外，该智能纤维无线供电特性还适用于液体环境，有望实现柔性传感器在液体中的应用。
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总之，该智能纤维通过单根光纤收集环境电磁能量和无线信号传输，实现无线视觉-数字传感交互，而无需在纺织品上安装额外的芯片或电池，同时集成了传感器、效应器装置、能量采集等多种能力，或许将为会柔性传感器，尤其是可穿戴柔性传感器的实现，带来突破性进展。
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近年来，物联网 (IoT)、工业 4.0、大数据、人工智能 (AI)、机器人和数字健康等领域的进步，促使传感器变得更加互联和智能，进入传感器 4.0。
例如，激光雷达、毫米哦雷达、图像传感器等大量种类繁多的传感器被嵌入到具有无线连接功能的自动驾驶汽车中，以实现自动驾驶，而集成 AI 的物联网传感器，则为建筑物和工业设施的能源管理提供了有效的解决方案。
然而，这些传统的传感器技术，通常基于金属陶瓷等刚性材料，虽然高度集成和小型化的现代传感器足以作为智能电子/机器的组件，但它们小而硬的外形限制了它们在许多应用中的使用，例如医疗保健可穿戴设备、交互式机器人、智能包装和建筑集成电子等。
特斯拉第二代 Optimus 引入灵巧手触觉传感器，通过此举在抓取物体时实现了更高的准确性和安全性。种种迹象表明，柔性传感器的市场需求，正在爆发。
以下为该论文情况介绍，原论文可点击文末【阅读原文】链接查看。
背景介绍
人类对互动有着固有的需求，而服装是个人与环境之间沟通的一种方式，使其成为这种互动的主要元素。随着可穿戴技术的进步，数字设备支持的纺织电子产品已逐渐成为扩大这种互动的一种手段。纺织品电子系统旨在为纺织品或纤维组件配备传感、计算、显示和通信的电子功能。这些系统通常包括但不限于传感器和效应器装置、能量存储和采集器以及基于硅的处理器。
然而，这种基于冯·诺依曼架构的智能纺织品模块化电子系统对无缝集成、能效和穿着舒适性提出了挑战。这些挑战的出现是因为当前的体系结构——包括无线模块、微处理器和模数转换器（ADC）——依赖于固有刚性集成电路芯片（刚度：107至109 N·m−1；曲率半径：10−6至10−3 m），这些芯片功耗高，无法与软纤维和纺织品无缝兼容（刚度为103至105 N·m–1；曲率直径：10−3至10−2 m）。
因此，模块化纺织电子产品的范式转变是必要的，并且需要一种全新的无线能量交互机制，该机制可以满足日常生活的需求，即无电池、无芯片、可清洗和可编织。
为了实现上述愿景，我们试图开发一种非冯-诺依曼体系结构，将电子组件集成到单个光纤中。纤维本身可以发挥无线传输、感官处理和反馈的作用，使其成为电子纺织品的基石。如果要以无线和无芯片的形式实现基于芯片的纺织系统的一个或多个交互功能，主要障碍如下：
对于能量相互作用
在单个光纤中，同时限制和辐射能量或电信号似乎是一个悖论，因为不存在能够在振荡和限制电荷对之间动态切换的能量相互作用机制，正如之前在光纤电子学中所认识到的那。在纺织品的拓扑结构中，相邻的电子纤维暴露在相同的电磁（EM）环境中，依靠周围电子纤维的感应EM场来转换电荷对状态是困难的。
对于信号调制
此外，基于数字的电子接口不是肉眼可读的，也不是人工调制的，这阻碍了面向用户的智能纺织品的沉浸式交互体验。
图文解析
图1. 体耦合交互光纤的设计和原理
（A）（左）当前基于集成电路芯片的无线交互式纺织品系统与（右）我们的无芯片无线交互式纺织品系之间的比较；
（B） 体耦合无芯片交互光纤的原理；
（C） i-fiber通过将其放在手上并耦合周围的EM能量来无线供电的照片；
（D）刺绣的i-fiber可以通过触摸同时产生光信号和电信号。
图2. 通过身体耦合的交互式光纤采集环境电磁能量
（A） i-fiber从各种环境EM场获取能量的示意图，包括纺织品摩擦（~3 Hz）、电缆（~23 kHz）和智能手机（~13.56 MHz）；
（B） 身体耦合光纤电子设备的图示；
（C） 采用i-fiber实现体耦合无线功率传输的电路模型。发射器是外部EM信号源。Ccoupling，空间耦合电容；CIC，接口接触电容；CPP，寄生路径电容；
（D） 办公室内人体和空气耦合的环境电磁波的功率谱（环境参数：新加坡国立大学，22°C，60%相对湿度）。两次测量都是在距离发射器20厘米的地方进行的（30 dBm，~20 kHz）；
（E） 在距离外部EM源不同距离（30 dBm，~20 kHz）处采集身体耦合EM场能量的i-光纤的接收电压和发光亮度（数据为三次重复测量的平均值±SD）；
（F） 环境介质（空气和液体）对i-光纤捕获EM能量和自身发光能力的影响（红色：数据为三次重复测量的平均值±SD）；
（G） 偶极在空中或水下发射的电场分布|Exy|，无论是否与地面耦合。a.u.，任意单位。
图3. 无线光和电信号的调制和传输
（A） 通过单根i光纤无线传输光和电信号的机制示意图；
（B） 无线传输光和电信号的照片。比例尺，3.5 mm；
（C）i-光纤的横截面图，包括核心光纤天线、高κ电介质涂层和亮度护套。比例尺，250 μm；
（D） i光纤在时域中感应出的光和电信号；
（E） 光纤介质涂层厚度d对电信号频率和振幅的影响；
（F） EM频率的增加将产生光谱的主波长的蓝移，其从3 Hz下的约520 nm改变到13.56 MHz下的430 nm；
（G） 无线光信号和电信号随距离的衰减；
（H） 无线光信号和电信号的方向图（数据为三次重复测量的平均值±SD）。
图4. 连续生产、织造，并对川端织物风格进行评价
（A） i-fiber的连续制造；
（B） 数码刺绣的i-fiber与商业纺织品；
（C） 在剑杆织机上大面积（0.8 m x 1.5 m）织造i纤维；
（D） 在卷取辊上收集的多色i纤维。比例尺，6 cm；
（E）在体耦合EM场下，染色的纤维显示出白色、绿色和蓝色的不同发光颜色。比例尺，3.5 mm；
（F）传统的基于芯片的电子纺织品和我们的无芯片电子纺织品的示意图；
（G） 传统的基于芯片的电子纺织品和我们的无芯片电子纺织品在穿着舒适性（透气性和透湿性）方面的比较（数据为五次重复测量的平均值±SD）；
（H） 川端织物风格评估的电子纺织品和商业纺织品；
（I） 我们的I-fiber机织纺织品的可洗性，包括色牢度和发光强度稳定性（数据为三次重复测量的平均值±SD）。
图5. 无芯片纺织电子的应用
（A） i-textile在为聋人提供辅助光通信方面的潜在应用；
（B） 像素化的无线纺织品电子系统能够在织物上无需电池或芯片的情况下实现触觉图案显示器。比例尺，3厘米；
（C）我们的无芯片纺织品显示器和传统的基于芯片的纺织品显示器之间的帧速率和延迟的比较；
（D） 无芯片i-textile实现了26个字母和10个阿拉伯数字的触摸显示；（E） i-textile在虚拟现实和人机交互中的潜在应用；
（F） 基于i-fiber的无芯片游戏交互的框图；
（G） 实现无芯片，无线游戏控制由单一光纤，包括四个独立的数字逻辑控制；
（H） i-textile在智能家居中的潜在应用；
（I） 基于I-fiber的无芯片智能家居的框图；
（J） 周围的EM场能量耦合到脚底，可以激活光纤来可视化触摸区域，并无线传输用于控制家用电器开关的传感信号。
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