來自麻省理工學(xué)院和AFFOA的研究人員第一次生產(chǎn)了帶有嵌入式電子設(shè)備的纖維，這些纖維非常靈活，可以織入柔軟的織物中，制成可穿戴的衣服。

（圖片：由研究人員提供）

 

 

研究人員將光電二極管集成到纖維中，并將其編織成可洗的織物。

紡織品和纖維的最新發(fā)展是一種你可以穿的軟硬件：有電子設(shè)備的布料直接內(nèi)置在里面。

 

麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)嵌入了高速光電半導(dǎo)體器件，包括發(fā)光二極管（led）和二極管光電探測器，這些光纖在南卡羅來納的Inman Mills公司工廠里被編織成柔軟的、可洗的織物，并制成了通訊系統(tǒng)。這標(biāo)志著達(dá)成一項(xiàng)長期追求的目標(biāo)——通過整合半導(dǎo)體設(shè)備——現(xiàn)代電子產(chǎn)品的關(guān)鍵原料——來創(chuàng)造“智能”面料。迄今為止，半導(dǎo)體器件正是制造具有復(fù)雜功能的織物的缺失部分。

 

研究人員說，這一發(fā)現(xiàn)可以為纖維釋放一種新的“摩爾定律”——換句話說，隨著芯片能力的發(fā)展，纖維的能力將隨著時(shí)間的推移而呈指數(shù)增長，這是一種快速發(fā)展的過程。

 

這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在本周的自然雜志上，作者是麻省理工學(xué)院的研究生Michael Rein，及麻省理工學(xué)院、AFFOA、Inman Mills、瑞士洛桑的EPFL和林肯實(shí)驗(yàn)室的合作團(tuán)隊(duì)。他的研究顧問Yoel Fink正是麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與電氣工程教授、AFFOA的首席執(zhí)行官。

 

一組使用新工藝制作的細(xì)軟纖維顯示，嵌入式led燈會(huì)打開或關(guān)閉，以顯示它們的功能。該團(tuán)隊(duì)使用了類似的纖維來將音樂傳輸?shù)綑z測器纖維上，即使在水下也能工作。（圖片：由研究人員提供）

 

傳統(tǒng)上，光纖是由一種叫做“預(yù)成型”的圓柱形物體產(chǎn)生的，它本質(zhì)上是一種被放大的纖維模型，然后加熱它。軟化的材料在張力下被拉伸，由此產(chǎn)生的纖維被收集在卷軸上。

 

生產(chǎn)這些新纖維的關(guān)鍵突破在于，將一粒沙子大小的發(fā)光半導(dǎo)體二極管加到一起，而一對銅線則是頭發(fā)寬度的一小部分。在纖維拉伸過程中，當(dāng)在熔爐中加熱時(shí)，聚合物預(yù)先形成部分液化，成形為一種長纖維，二極管沿著中心排列，并由銅線連接。

 

在這種情況下，固體成分是兩種使用標(biāo)準(zhǔn)微芯片技術(shù)制造的電子二極管：發(fā)光二極管（LEDs）和光敏二極管。Rein說：“在繪圖過程中，設(shè)備和電線都保持著它們的尺寸，而周圍的一切都在收縮。”然后，纖維被織入織物中，這些纖維被洗了10次，以證明它們的實(shí)用性是衣服的可能材料。

 

“這種方法增加了對纖維制造過程的新認(rèn)識，” Rein說，他是該論文的主要作者，并提出了導(dǎo)致新過程的概念。“我們不是把所有的材料都放在一個(gè)液體狀態(tài)下，而是用微粒和細(xì)金屬絲混合在一起。”

 

將功能整合到纖維材料本身的一個(gè)好處是，由此產(chǎn)生的纖維本身是防水的。為了證明這一點(diǎn)，研究小組在一個(gè)魚缸里放置了一些光探測纖維。水族館外的一盞燈通過水將音樂（適當(dāng)?shù)胤Q為漢德爾的“水音樂”）通過快速的光學(xué)信號的形式傳輸?shù)嚼w維上。魚缸中的纖維轉(zhuǎn)換了光脈沖——如此之快以至于光在肉眼看起來是穩(wěn)定的——電子信號，然后被轉(zhuǎn)換成音樂。這些纖維在水中存活了好幾個(gè)星期。

 

盡管這一原理聽起來很簡單，但要使它始終如一地工作，并確保纖維能夠可靠、批量地制造，這是一個(gè)漫長而艱難的過程。由Jason Cox和Chia-Chun Chung領(lǐng)導(dǎo)的AFFOA的工作人員開發(fā)了提高產(chǎn)量、產(chǎn)能和整體可靠性的途徑，使這些纖維能夠過渡到工業(yè)。與此同時(shí)，來自Inman Mills的Marty Ellis開發(fā)了一種技術(shù)，用傳統(tǒng)的工業(yè)制造規(guī)模化織機(jī)將這些纖維編織成織物。

 

“這篇論文描述了將半導(dǎo)體器件整合到纖維中的可擴(kuò)展路徑。我們預(yù)計(jì)未來幾年將出現(xiàn)一種類似于纖維的摩爾定律。”Fink表示：“它已經(jīng)允許我們擴(kuò)展纖維織物的基本功能，以涵蓋通訊、照明、生理監(jiān)測等。”在未來的幾年里，纖維織物將提供增值服務(wù)，不再僅僅是為了美觀和舒適而選擇。”

 

他說，第一批包含這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)產(chǎn)品最早將于明年進(jìn)入市場——從實(shí)驗(yàn)室研究到商業(yè)化，這是一個(gè)非常短的過程。他說，這種快速的從實(shí)驗(yàn)室到市場的發(fā)展是創(chuàng)建像AFFOA這樣的學(xué)術(shù)-行業(yè)-政府合作組織的一個(gè)關(guān)鍵部分。這些最初的應(yīng)用將是涉及通信和安全的專門產(chǎn)品。“這將是第一個(gè)織物通訊系統(tǒng)。我們現(xiàn)在正處于將技術(shù)向國內(nèi)制造商和工業(yè)轉(zhuǎn)移的過程中，以前所未有的速度和規(guī)模。”他說。

 

Fink說，除了商業(yè)應(yīng)用之外，美國國防部——AFFOA的主要支持者之一——“正在探索這些想法的應(yīng)用給我們的男女軍人制服。”

研究人員說，除了通訊之外，這些纖維可能在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。例如，使用這種纖維的設(shè)備可能被用來制作一個(gè)腕帶，可以測量脈搏或血氧水平，或者被編織成繃帶，持續(xù)監(jiān)測治療過程。

 

這項(xiàng)研究部分是由麻省理工學(xué)院材料研究科學(xué)與工程中心（MRSEC）通過美國國家科學(xué)基金會(huì)的MRSEC項(xiàng)目來支持的，由美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國陸軍研究辦公室通過美國士兵納米技術(shù)研究所提供的。這項(xiàng)工作也得到了負(fù)責(zé)研究和工程的國防部助理部長的支持。