智能纤维织物，使新一代可穿戴系统成为可能

MEMS 2024-08-11 00:02

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研究背景

纤维是所有纺织品的基本组成部分，从日常服装中的天然纤维或合成纤维，到航空航天和军事应用领域先进复合材料中的高性能纤维，不一而足。它们还包括促进先进医疗疗法的药物或生物负载纤维，以及构成现代电信数据传输基础的波导光导纤维。纤维的多功能性和实用性得益于其独特的特性。由于纤维的长径比非常高，因此具有很强的柔韧性和可弯曲性，在保持机械强度的同时甚至可以拉伸。这些不断变化的物理和化学特性及其功能应用是纤维在整个人类发展史中快速发展的缩影。

天然纤维来源于动植物等生物资源，羊毛和染色亚麻纤维是人类最早使用的天然纤维，其历史可追溯到公元前 36 000 年。另一种是合成纤维，由尼龙、聚酯、丙烯酸和聚烯烃等人造聚合物制成。合成纤维的研究始于 19 世纪初，如今已占全球纤维消费量的一半左右。碳纤维因其极高的强度和刚度而闻名于世，广泛应用于汽车、极限运动、航空航天和军事领域。因此，微纤维和纳米纤维是药物输送系统、组织支架、药物和防护服的理想平台。特别是，随着全球市场的扩大，对纳米纤维的需求日益增加，预计到 2030年，需求量将达到 3.35 亿美元。虽然天然纤维和合成纤维在许多方面的应用已有数百年历史，但对革命性技术的渴求促使人们开发出具有前所未有功能的智能纤维和织物。在高带宽、低延迟和稳定的长距离通信需求的推动下，由二氧化硅制成的光导纤维已成为将全世界连接在一起的变革性技术。然而，传统光纤仅用作光通信的波导。利用光子带隙捕获光的想法导致了光子带隙光纤的出现。自 1999 年首次展示以来，空芯光子带隙光纤引起了研究界的极大关注，并为超高非线性光学、新型激光器和放大器开辟了新途径。由于纤维聚合物固有的低杨氏模量，这种光子带隙纤维具有高度柔韧性和可弯曲性，因此特别适用于生产用于智能传感、安全和时尚的彩色织物。

研究成果

织物是将电子产品无缝集成到日常体验中的独特平台。在单纤维层面和结构织物内部实现织物功能化方面取得的进步从根本上改变了织物的用途。纤维层面的材料、结构和功能革命实现了难以察觉的紧密集成，迅速将纤维和织物转变为下一代可穿戴设备和系统。在这篇综述中，作者探讨了智能纤维织物最近取得的科学和技术突破。作者研究了纤维材料、物理、化学、制造策略和应用方面的共同挑战和瓶颈，这些挑战和瓶颈塑造了可穿戴电子设备的未来，提出了一个闭环智能纤维织物生态系统，包括主动传感、互动通信、数据存储和处理实时反馈以及能量存储和收集，旨在解决可穿戴技术中的重大挑战。最后，将计算织物设想为复杂的可穿戴平台，具有数据管理、机器学习、人工智能和闭环智能网络的系统级属性。相关报道以“Fibres—threads of intelligence—enable a new generation of wearable systems”为题发表在Chemical Society Reviews期刊上。东华大学朱美芳院士&严威教授为文章通讯作者。

图文导读

Fig. 1 The ongoing evolution of fibres， including advancements in materials， chemistry， functions， and structures， has established a robust foundation for an array of promising applications.

Fig. 2 The flow chart of this review.

Fig. 3 Inorganic and organic fibre semiconductors.

Fig. 4 Inorganic and organic fibre conductors.

Fig. 5 Inorganic and organic fibre dielectrics.

Fig. 6 Schematic illustration of chemical and physical mechanisms of functional fibre enabled smart fabrics.

Fig. 7 Spinning techniques used in design and fabrication of functional fibres.

Fig. 8 Design and fabrication techniques used for producing functional fibres.

Fig. 9 Schematic illustration of key methods used to create electronic fabrics and textiles.

Fig. 10 Schematic illustration of the ways of integrating functional fibres into smart and electronic fabrics: weaving， knitting， and bonding.

Fig. 11 Environmental sensing.

Fig. 12 Physiological sensing.

Fig. 13 Interactive communication.

Fig. 14 Data storage and processing.

Fig. 15 Feedback and actuation.

Fig. 16 Feedback and actuation.

Fig. 17 Energy storage and harvesting.

Fig. 18 Schematic illustration of the closed-loop network of fibres enabled intelligent wearable system.

Fig. 19 Perspective regarding the fabric computer， fibre materials， fibre and fabric design， fabrication methodologies， 5G communication and artificial intelligence technologies can be integrated into traditional fabrics to create fabric computer that can simultaneously see， hear， speak， feel， actuate， communicate， regulate temperature， harvest and storage energy， as well as store and process data. Promising application scenarios of health care， aerospace， neuroscience， robotics， and metaverse can be revolutionized by forthcoming fabric computer.

总结与展望

智能纤维织物是跨学科研究领域出现的一个典范课题，涉及物理学、化学、机械学、材料科学、电子学和光电子学、纺织工程、生物医学、数据科学等多个学科。在材料选择、纤维内结构设计、织物结构布置、制造技术、系统级集成和新型应用等方面的创新正在迅速塑造这一领域。智能织物具有卓越的功能，包括视觉、听觉、说话、感觉、执行、能量收集和存储、温度调节，甚至可用作外骨骼和数据处理器，为高级医疗保健、可穿设备、人机界面、物联网、人工智能工业等领域的挑战提供独特的解决方案。

1.1 纤维材料

材料创新是开发智能纤维的基础之一。材料选择方面的挑战与特定功能和应用的要求以及用户的偏好密切相关。其核心挑战是扩大可获得的材料范围，这些材料可被加工成纤维形状因素本身或与其他材料集成，同时具有优异的性能。

为了应对这一核心挑战，在制造满足未来需求的智能织物时，对候选材料提出了一些关键要求。(1)为确保智能织物在可穿戴系统中的有效性，关键是要开发出不仅能满足预期功能要求，而且还能表现出卓越机械稳定性的材料。这些材料必须能够无缝适应人体的弧度，并能承受日常运动的物理负荷。通过优先考虑机械稳定性和所需功能，我们可以保证设备性能的稳定性和可靠性。(2)进一步的研究可以集中在开发柔软、低模量的弹性纤维材料上，这种材料既能适形覆盖不规则形状的人体，又能提供复杂的多功能性，还可以开发能够消除外部串扰和实时过滤噪声的新型材料。凝胶材料具有同时监测应变、温度和湿度等信号的能力，是一种很有前途的解决方案。不过，还需要对凝胶材料的组成、结构、机械性能、高产量生产和设备组装等方面开展进一步的基础研究。(3)植入纤维生物电子装置可记录大脑活动、刺激神经网络、感知化学物质和光线、精确递送药物，同时在很大程度上降低对生理活动的干扰。开发可避免生物系统中细胞毒性和免疫反应的纤维材料是重点。利用从动植物中提取的天然原料，如壳聚糖、胶原蛋白、蚕丝、明胶、木质素、纤维素，为这一领域带来了前所未有的机遇。因此，从纤维设备开发的初始阶段开始，绿色开发就是一个重要的考虑因素，这些材料可通过修复缺陷延长使用寿命，从而减少电子废物的产生。

1.2 设计原则和制造技术

根据半导体行业的“摩尔定律"，未来基于智能纤维的织物研究将不断发展，该定律预示着多种材料和器件将不断集成到单根或多根纤维中，从而以可预测的方式实现功能。坚持“摩尔定律"设计原则，推动技术不断发展，这就要求不断改进智能织物。其核心挑战在于为具有微米或纳米特征尺寸的智能纤维制定创新的大规模生产战略，同时确保电子元件的无缝封装。虽然已经提出了多种基于纺丝的技术，包括湿法纺丝、干法纺丝、喷射纺丝和静电纺丝，用于大规模生产具有微米或纳米特征尺寸的功能性纤维，但这些技术对有机溶剂的使用对将电子元件集成到纤维中造成了限制。这种方法规避了溶剂的限制，有利于将电子元件原位组合到纤维中，从而实现传感、温度控制、能量收集和互动通信等多种功能。此外，它的可扩展性也值得一提:只需一次拉丝，就能生产出数千米长的厘米级光纤。热拉伸法是将多种材料、组件、结构和功能集成到纤维中的一种有前途的策略。然而，预成型制备必须与纤维拉伸过程分离，这限制了智能纤维织物的连续生产。未来有必要开发一种连续且经济高效的预成型制备工艺。

一种很有前景的方法是使用3D或4D打印技术，这种技术可以直接自下而上地制造具有复杂结构的预型件。从打印预型件中提取的纤维可用作第二步打印的原料，进行递归制造，进一步提高纤维的复杂性和功能性。另一个常见问题是协调电子和纺织行业的技术，电子技术成本高且复杂，而纺织业已经成功实现了大规模低成本纺织品生产。未来，基于功能纤维的智能织物的研究重点将是创建一个无缝、互补和大规模的生产链，整合两个不同行业的制造能力和优势。

1.3 功能和应用场景

智能纤维织物的非凡功能为摩尔时代的设备设计和集成以及技术改革提供了持续的动力。未来，功能纤维有望集成各种功能，包括能量存储、多模态传感、数据处理、智能通信，甚至编程。然而，在实现商业化之前，功能性纤维仍需考虑几个关键挑战。(1)虽然碳中和已成为一个突出的社会目标，但智能织物学术界对可持续性的关注仍然有限。只有使用可回收材料和开发生态友好型制造技术才能实现这一目标。(2)最被忽视的特性是穿着舒适度这是决定织物商业化的最关键因素之一。此外，提高智能织物在极端环境下的耐用性也是一个考虑因素。(3)智能纤维织物通常是有源设备，可能会遇到电力不足的问题。在现实世界中，基于功能纤维的智能织物多用于离网环境，可能会面临经常更换电池或携带笨重电源的两难选择。有了这个问题，就不可能实现真正的可穿戴系统。高能量密度薄膜材料纤维电池和与柔性纤维基材相匹配的能量收集装置是解决这一问题的必要组件。从商业化的角度来看，智能纤维织物的开发可以集中在发光、传感和热管理方面的应用。具体来说，智能发光纤维织物可应用于大面积软显示和可穿戴显示领域，为极地探险甚至地质勘探提供实时导航。纤维织物的热管理具有多种用途，包括调节体温和保持电动汽车电池的最佳温度。这种功能使这些织物能够有效适应环境温度的变化。具有监测生理功能的主动传感纤维织物预计将在防护和军事装备中得到应用。此外，我们还注意到，功能的不断升级和整合将推动智能纤维织物的交互多样化。通过使用交互感知和网络通信等先进技术，用户与机器之间的无缝互动可以通过这类织物轻松实现。智能织物在实现对机器人义肢等精密机器的远程控制的同时，还能通过对一系列物理迹象和指标的精确监测为用户提供有价值的反馈。除了人机界面，灵活的传感器、微处理器和无线通信系统也可以融入纤维和织物中，为物理世界和数字世界搭建桥梁。我们可以想象，未来的织物能够收集气体腐蚀性液体和高温的实时数据，有助于识别日常活动中的潜在危险。此外，增强未来织物收集、计算和分析大量感官数据的能力将促进人工智能的发展。这样就可以将其集成到物联网中，实现智能预测和决策潜力。

1.4 织物计算

目前，普适计算领域主要依赖硅基设备提供的信息技术。然而，半导体集成技术的进一步发展空间已开始缩小。预计计算能力可能很快就会遇到瓶颈。预计计算能力可能很快就会遇到瓶颈，因此迫切需要探索创新方法来扩展信息技术。在“智能纤维织物的功能和应用"部分，基于多材料智能纤维的智能织物展示了无数先进功能，包括传感、通信、数据存储和处理、反馈和供电。此外，热拉伸技术证明，数字芯片可以大规模集成到纤维基体中形成超密集的感知交互通道。这些突破有望在织物计算的基础上实现革命性的感知和交互功能。我们认为，即将到来的织物计算基于三个核心部分。一是推进智能织物传感模块的发展，使其具有精密的分辨率和超高的灵敏度，可捕捉大量不同的传感数据；二是创建织物数据管理模块，实现实时数据可视化和算法控制，便于及时处理、分析和反馈传感信息。三是建立织物闭环智能网络，将能源供应、传感、计算、反馈和交互编织成一个完整的闭环方案。

文献信息：DOI: 10.1039/d4cs00286e