Nature重磅：可穿戴電子設備新突破！高性能柔性纖維，可快速商用

想象一下，一頂可清洗的帽子可以幫助視障人士感知交通信號燈的變化，或者一件衣服可以在穿着者瀏覽博物館時充當導遊。

這些不可思議的場景，看似離我們很遙遠，或許已經近在眼前。

來自南洋理工大學、中國科學院大學、中國科學院的研究團隊便成功開發出了這樣一種“黑科技”電子纖維。它可以被編織進衣物內，在交通感知、心率監測等方面展現出了卓越的性能。

值得一提的是，這種電子纖維不僅可以無缺陷延展數百米長、具有出色的耐久性，而且還防水，適用於水下應用。

相關研究論文以“High-quality semiconductor fibres via mechanical design”爲題，剛剛發表在權威科學期刊 Nature 上。

在一篇同期發表的新聞與觀點文章中，弗吉尼亞理工大學副教授賈曉婷和她的學生 Alex Parrott 表示，這項技術的製造設備在工業應用上的成熟度，以及在紡織業的廣泛應用，使其具備了商業化的潛力。他們認爲，這項工作“在將微型計算機嵌入日常服裝的方向上實現了一個飛躍。”

人類對於纖維的利用可以追溯到石器時代，而現代人類對纖維的追求不僅僅侷限於其隔熱功能。

近年來，可穿戴設備的飛速發展少不了纖維的功勞。由於舒適性和靈活性有限，傳統的硬性電子設備往往難以與日常服飾融合。

可穿戴設備更是難上加難，它同時需要纖維和傳感器，而將半導體器件集成到纖維中，對纖維有着巨大的考驗。

最重要的是纖維的耐磨性：它必須足夠柔韌，易於扭曲，以便編織；此外，它還能夠水洗，可重複使用；並且透氣，讓人們有着舒適的穿着體驗。

許多研究人員通過創建由非晶半導體材料製成的智能光纖設備來同時這些功能。問題是，現有的製造方法可能會產生帶有斷裂、有缺陷的半導體芯的螺紋，影響纖維的性能。

基於這一挑戰，研究團隊開啓了柔軟電子纖維的研究之旅。

他們的目標是創造一種能夠被編織進日常服飾、同時具備卓越性能的纖維。他們想把穿戴科技滲透在衣物之間的，將其變成能夠融入日常生活的智能科技。

他們在研究中對製備過程進行深入剖析，摒棄傳統手法的缺陷，採用了創新的方式將微小的半導體器件引入纖維，創造了百米級別的無瑕纖維。

圖｜柔性電子纖維的設計和構造。a）由玻璃包層（紫色）和半導體芯（黑色）製成的預製棒被拉制成光纖尺寸；b）具有不同程度毛細管不穩定性的纖維的示意圖（左）和光學圖像（右）；c）纖芯幾何形狀與不同的應力水平相關。光纖示意圖（左）和光學圖像（右）顯示了完整和破裂的纖芯響應制造過程中形成的應力；d）通過一次拉絲工藝製造出約一百米的連續半導體芯光纖，玻璃覆層可以通過酸蝕刻去除；e）會聚光纖拉絲技術示意圖，暴露的半導體纖維和金屬線可以在該過程中保持堅固性；f）由所得光電纖維實現的大規模功能織物。在這一過程中，團隊通過精準的材料選擇，以及對製備工序詳細的力學分析，掌握了纖維製備中的應力源，實現了連續、高性能的柔軟纖維。

在這一過程中，團隊通過精準的材料選擇，以及對製備工序詳細的力學分析，掌握了纖維製備中的應力源，實現了連續、高性能的柔軟纖維。

圖｜製作方法。首先將半導體線插入玻璃管內，兩者同時加熱至足夠軟，拉成細線，冷卻後用氫氟酸去除玻璃；然後將線材與金屬線材一起送入聚合物管中再次加熱，拉成數百米長的柔性線。這種柔性線即可編織成能夠檢測和處理信號的織物。

這項革新技術借鑑了光纖製備的工業標準，充分利用了紡織業廣泛採用的工具。通過一系列巧妙的步驟，研究人員不僅創造出具備光電特性的柔軟纖維，更將其無縫地嵌入到日常服裝中。

這仿若現代瑰麗的魔法，爲未來的智能服飾提供了充滿想象力的可能性。

你可以想象一下，帽子上嵌入了這樣的纖維，能夠感知交通燈的信號並通過手機提醒佩戴者，對盲人十分友好。

或者，一件毛衣不僅保暖，還能充當光通信裝置，通過 Li-Fi 技術傳遞信息。

此外，研究團隊甚至將這些柔軟電子纖維編織成了手環。與現有設備相比，它更貼合手腕，更具耐久性，可在水下深達 3000 米的壓力下正常工作。

儘管軟性電子纖維的出現爲可穿戴設備領域帶來了前所未有的創新，然而，這項研究也有一些侷限性和挑戰。

例如，雖然該研究在纖維製備過程中克服了半導體器件容易斷裂的問題，但纖維的外包覆材料卻犧牲了一定的實用性，特別是在需要保持柔軟性和透氣性的服裝應用中。這對外包材料的選擇提出了更高的要求。

另外，在生產方面，當前的技術路線需要對纖維進行後期處理，以將其從外層材料中脫離出來，這一步驟可能會增加生產成本，並對環保性產生一定影響。

此外，爲了保證纖維的高質量，研究團隊採用了後期添加單晶半導體的處理方法，這在一定程度上限制了材料的可用性和生產效率。

柔性電子纖維的誕生，不僅僅是一項科技突破，更是時尚與科技融合的嶄新嘗試。

賈曉婷和 Alex Parrott 指出，用於製造這些纖維的設備已經包括了一種纖維牽引裝置，該裝置在電信行業中已經廣泛用於生產商用光纖。一旦這些纖維製備完成，就能夠利用紡織業中已經廣泛採用的工具，將其巧妙地編織成各種織物。

他們表示，未來一個令人興奮的方向是爲纖維配備更復雜的器件，如晶體管，並提高這些功能元件的密度。目前的方法有一個侷限性，它需要一個後處理步驟，才能將質量極高的（單晶）半導體融入纖維中。

除了利用新型纖維將可穿戴設備融入日常生活，可穿戴設備還擁有其他可能。

去年 12 月，南開大學團隊研發了一種可以全天太陽能供電的雙向溫度調節服裝系統，該系統通過快速熱調節可以將熱舒適區從 22°C 至 28°C 擴展到 12.5°C 至 37.6°C，且具有快速的體溫調節速率，從而確保在各種複雜和不穩定環境中人體的安全和舒適。

據介紹，該系統可以在極地地區和個體太空行走等惡劣環境中增加人類的生存能力，爲擴展人類對惡劣環境的適應性提供了多種可能性。

2022 年 6 月，來自新加坡南洋理工大學和清華大學的研究團隊，聯合開發出了一種可伸縮的防水“織物”，這種織物可以將人類身體運動產生的能量直接轉化爲電能。經洗滌、摺疊和褶皺後，織物的性能也不會出現下降，甚至可以在長達 5 個月的時間內，保持穩定的電力輸出。

看到這裡，不妨想象一下，在不久的將來，我們穿戴的不再只是普通衣物，而是能與周圍環境無縫連接、互動、自供電的智能織物，到那時，我們的日常生活將是怎樣的？