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未来智能穿戴:把计算机“织”进纤维里

  11月中旬,刊发于《自然》杂志官网的一篇文章显示,哈佛大学的研究人员开发出了一种超灵敏、弹性极强、可嵌入到纺织品和柔性机器人系统中的应变传感器,由其组装的智能织物可在大部分情况下保持原状。举例来说,由这种智能织物制成的衣物,不仅可以让人们把计算机“穿”在身上,而且在无数次清洗、拉扯后依旧能够正常使用。

  据英国剑桥大学预测,2022年采用智能纺织品的可穿戴产品市场将达到700亿美元。在智能织物领域的研究中,织物电子技术占有重要席位。此前在香山科学会议召开的学术讨论会中,相关专家专门探讨了织物电子、传感和计算的学术前沿、核心技术与应用展望。

  颠覆传统织物概念

  在纤维层面构造集成电路

  “织物电子是一种在纤维或纤维集合体(或面料)维度上生成电路、传感(执行)、能量、计算和通信器件的电子技术。”电子科技大学移动计算中心教授陈东义表示,“以织物电子为支撑理论和技术的智能织物与服装将驱动人类社会迈向泛智能时代,重构人类生活和生存方式,催生新兴战略产业。”

  据了解,织物电子是基于技术演进提出的新概念,涉及电子织物在传感执行和计算上的功能实现等领域,与柔性电子等有着明显差异。“柔性电子是将有机或无机材料电子器件制作在柔性或可延性塑料或薄金属基板上,通常包含电子元器件、柔性基板、交联导电体和黏合层等4个部分,主要采用‘印刷’的方式实现。”陈东义说,“但是,织物电子可以采用有机、无机和蛋白纤维材料为原料,还能够使用编织、刺绣、针织、熔喷与黏合等工艺。”

  在织物电子技术中,最核心的组成部分就是织物电子器件。“织物电子器件是指具有产生、传输、调制和测量电子功能的纤维或纤维集合体(纱线和织物等)。”香港理工大学智能可穿戴研究中心陶肖明教授说,织物电子器件有两类,一类用具有电子功能的材料直接生成纤维、纱线或织物,另一类用微电子器件如芯片结合于纤维中再形成多功能织物。织物电子器件具有柔性、大面积、三维变形、轻盈、透气、穿着舒适等优势。

  兼顾电子器件功能和可穿戴性

  是织物电子发展最大瓶颈

  现实情况是,我们目前所能接触到的智能织物主要是把智能器件镶嵌在鞋子或衣服上,然而这并不是织物电子的终极追求。

  “目前织物电子的发展还处于初始阶段,传统电子领域产品开发依然占据主导地位,因此大多数智能服装研究主要专注于如何将器件和模块缝制或嵌入到衣服中,以及如何增强可靠性、牢固性等技术问题,而忽视了纤维和织物电子研发与加工技术问题。”陈东义指出。

  陶肖明认为,织物电子技术能够结合传统纺织品的舒适性、外观和电子产品的功能性、连接性,无疑极具市场潜力。但是可靠性、交叉兼容性、设备适用性、材料可用性和间接成本等方面的挑战,一直阻碍着织物电子产品的商业化进程。

  “形成织物电子器件或系统需要应用传感技术、数据传输和存储技术、数据显示技术、能源供给技术、连接技术等。如何在保持电子器件功能性和可靠性的同时兼顾织物优异的可穿戴特性,这是目前织物电子发展的最大瓶颈。”陶肖明表示。

  她认为,理想的织物电子器件或系统的功能材料结构和性能方面还存在一系列的挑战。“阻碍织物电子系统发展的主要原因是其器件性能不足、生产加工一致性低、缺乏系统的研究和标准。”

  除了材料需要在实现电气性能的同时满足特定的机械和化学性能要求外,织物电子的发展还面临着诸多挑战,例如,设计环节中包括在织物和纤维层次上构造传感、计算器件或集成电路,目前尚无成熟的设计自动化与分析工具;另外,电子织物对制造环境要求苛刻,目前还缺乏技术标准、测试方法和制造设备等。

  对此,陈东义提到,织物电子可以从纳米材料和结构上寻找突破;传统电子、柔性电子和织物电子的结合是近期智能织物与服装产品化的重要途径。(记者 刘园园)


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编辑:白依依

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