想象一下，一顶可清洗的帽子可以帮助视障人士感知交通信号灯的变化，或者一件衣服可以在穿着者浏览博物馆时充当导游。
这些不可思议的场景，看似离我们很遥远，或许已经近在眼前。
来自南洋理工大学、中国科学院大学、中国科学院的研究团队便成功开发出了这样一种“黑科技”电子纤维。它可以被编织进衣物内，在交通感知、心率监测等方面展现出了卓越的性能。
值得一提的是，这种电子纤维不仅可以无缺陷延展数百米长、具有出色的耐久性，而且还防水，适用于水下应用。
相关研究论文以“High-quality semiconductor fibres via mechanical design”为题，发表在权威科学期刊 Nature 上。
在一篇同期发表的新闻与观点文章中，弗吉尼亚理工大学副教授贾晓婷和她的学生 Alex Parrott 表示，这项技术的制造设备在工业应用上的成熟度，以及在纺织业的广泛应用，使其具备了商业化的潜力。他们认为，这项工作“在将微型计算机嵌入日常服装的方向上实现了一个飞跃。”
可水洗的高性能柔性纤维
人类对于纤维的利用可以追溯到石器时代，而现代人类对纤维的追求不仅仅局限于其隔热功能。
近年来，可穿戴设备的飞速发展少不了纤维的功劳。由于舒适性和灵活性有限，传统的硬性电子设备往往难以与日常服饰融合。
可穿戴设备更是难上加难，它同时需要纤维和传感器，而将半导体器件集成到纤维中，对纤维有着巨大的考验。
最重要的是纤维的耐磨性：它必须足够柔韧，易于扭曲，以便编织；此外，它还能够水洗，可重复使用；并且透气，让人们有着舒适的穿着体验。
许多研究人员通过创建由非晶半导体材料制成的智能光纤设备来同时这些功能。问题是，现有的制造方法可能会产生带有断裂、有缺陷的半导体芯的螺纹，影响纤维的性能。
基于这一挑战，研究团队开启了柔软电子纤维的研究之旅。
他们的目标是创造一种能够被编织进日常服饰、同时具备卓越性能的纤维。他们想把穿戴科技渗透在衣物之间，将其变成能够融入日常生活的智能科技。
他们在研究中对制备过程进行深入剖析，摒弃传统手法的缺陷，采用了创新的方式将微小的半导体器件引入纤维，创造了百米级别的无瑕纤维。
图｜柔性电子纤维的设计和构造。a）由玻璃包层（紫色）和半导体芯（黑色）制成的预制棒被拉制成光纤尺寸；b）具有不同程度毛细管不稳定性的纤维的示意图（左）和光学图像（右）；c）纤芯几何形状与不同的应力水平相关。光纤示意图（左）和光学图像（右）显示了完整和破裂的纤芯响应制造过程中形成的应力；d）通过一次拉丝工艺制造出约一百米的连续半导体芯光纤，玻璃覆层可以通过酸蚀刻去除；e）会聚光纤拉丝技术示意图，暴露的半导体纤维和金属线可以在该过程中保持坚固性；f）由所得光电纤维实现的大规模功能织物。在这一过程中，团队通过精准的材料选择，以及对制备工序详细的力学分析，掌握了纤维制备中的应力源，实现了连续、高性能的柔软纤维。
在这一过程中，团队通过精准的材料选择，以及对制备工序详细的力学分析，掌握了纤维制备中的应力源，实现了连续、高性能的柔软纤维。
图｜制作方法。首先将半导体线插入玻璃管内，两者同时加热至足够软，拉成细线，冷却后用氢氟酸去除玻璃；然后将线材与金属线材一起送入聚合物管中再次加热，拉成数百米长的柔性线。这种柔性线即可编织成能够检测和处理信号的织物。
这项革新技术借鉴了光纤制备的工业标准，充分利用了纺织业广泛采用的工具。通过一系列巧妙的步骤，研究人员不仅创造出具备光电特性的柔软纤维，更将其无缝地嵌入到日常服装中。
这仿若现代瑰丽的魔法，为未来的智能服饰提供了充满想象力的可能性。
你可以想象一下，帽子上嵌入了这样的纤维，能够感知交通灯的信号并通过手机提醒佩戴者，对盲人十分友好。
或者，一件毛衣不仅保暖，还能充当光通信装置，通过 Li-Fi 技术传递信息。
此外，研究团队甚至将这些柔软电子纤维编织成了手环。与现有设备相比，它更贴合手腕，更具耐久性，可在水下深达 3000 米的压力下正常工作。
尽管软性电子纤维的出现为可穿戴设备领域带来了前所未有的创新，然而，这项研究也有一些局限性和挑战。
例如，虽然该研究在纤维制备过程中克服了半导体器件容易断裂的问题，但纤维的外包覆材料却牺牲了一定的实用性，特别是在需要保持柔软性和透气性的服装应用中。这对外包材料的选择提出了更高的要求。
另外，在生产方面，当前的技术路线需要对纤维进行后期处理，以将其从外层材料中脱离出来，这一步骤可能会增加生产成本，并对环保性产生一定影响。
此外，为了保证纤维的高质量，研究团队采用了后期添加单晶半导体的处理方法，这在一定程度上限制了材料的可用性和生产效率。
可穿戴设备，拥有无限可能
柔性电子纤维的诞生，不仅仅是一项科技突破，更是时尚与科技融合的崭新尝试。
贾晓婷和 Alex Parrott 指出，用于制造这些纤维的设备已经包括了一种纤维牵引装置，该装置在电信行业中已经广泛用于生产商用光纤。一旦这些纤维制备完成，就能够利用纺织业中已经广泛采用的工具，将其巧妙地编织成各种织物。
他们表示，未来一个令人兴奋的方向是为纤维配备更复杂的器件，如晶体管，并提高这些功能元件的密度。目前的方法有一个局限性，它需要一个后处理步骤，才能将质量极高的（单晶）半导体融入纤维中。
除了利用新型纤维将可穿戴设备融入日常生活，可穿戴设备还拥有其他可能。
去年 12 月，南开大学团队研发了一种可以全天太阳能供电的双向温度调节服装系统，该系统通过快速热调节可以将热舒适区从 22°C 至 28°C 扩展到 12.5°C 至 37.6°C，且具有快速的体温调节速率，从而确保在各种复杂和不稳定环境中人体的安全和舒适。
据介绍，该系统可以在极地地区和个体太空行走等恶劣环境中增加人类的生存能力，为扩展人类对恶劣环境的适应性提供了多种可能性。
2022 年 6 月，来自新加坡南洋理工大学和清华大学的研究团队，联合开发出了一种可伸缩的防水“织物”，这种织物可以将人类身体运动产生的能量直接转化为电能。经洗涤、折叠和褶皱后，织物的性能也不会出现下降，甚至可以在长达 5 个月的时间内，保持稳定的电力输出。
看到这里，不妨想象一下，在不久的将来，我们穿戴的不再只是普通衣物，而是能与周围环境无缝连接、互动、自供电的智能织物，到那时，我们的日常生活将是怎样的？
参考链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06946-0
https://www.nature.com/articles/d41586-024-00076-x
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3654
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200042
本文来自微信公众号：学术头条（ID：SciTouTiao），作者：学术头条