ICCSZ訊 近日,麻省理工學(xué)院和美國先進功能織物聯(lián)盟(AFFOA)的研究人員首次研究出具有嵌入式電子元件的纖維,這種纖維非常柔軟,可以編織成柔軟的織物并制成可穿著的衣服。其相關(guān)工作以“Diode fibres for fabric-based optical communications”為題,于8月8日發(fā)表在《Nature》期刊上。
該論文通訊作者為麻省理工學(xué)院的Yoel Fink教授。
早在2015年,谷歌公司就曾開發(fā)出一種可以織入面料的高導(dǎo)電的紗線,這種智能面料可以將觸摸功能和手勢操作功能編入面料,直接讓衣服變成觸摸屏。從此,衣服不僅僅追求時尚,也將成為科技生活的一部分。但是,由于加工工藝的難題,這種智能面料至今沒有大規(guī)模進入市場。
近年來,隨著復(fù)合材料的發(fā)展和人們智能化生活的需求,科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出各式各樣的功能纖維。顧名思義,功能纖維就是指在纖維現(xiàn)有的性能之外,還具有某些特殊功能,如導(dǎo)電纖維、光導(dǎo)纖維等。將功能纖維與紡織品結(jié)合,并賦予衣物新功能,一直是科學(xué)家們關(guān)注的熱點。
半導(dǎo)體二極管是現(xiàn)代計算、通信和傳感技術(shù)的基本組成部分。因此,將它們整合到紡織品級的纖維中,可以提高織物的“聰明度”,例如,以織物為基礎(chǔ)的通信或生理監(jiān)測系統(tǒng)。目前已經(jīng)證明,在纖維預(yù)成型時,通過纖維拉伸工藝將具有不同電子和光學(xué)性質(zhì)的材料融合到單絲中,可以增加纖維和織物的功能性。然而,該方法僅限于可以在其粘性狀態(tài)下共同拉伸的材料,并且其性能比不上使用基于晶圓制備方法得到的“器件級”材料。到目前為止,在熱拉伸纖維中實現(xiàn)高質(zhì)量半導(dǎo)體二極管還存在一些加工技術(shù)的挑戰(zhàn)。
麻省理工學(xué)院的研究人員將高速光電半導(dǎo)體器件(包括發(fā)光二極管(LED)和二極管光電探測器)嵌入到纖維中,制成柔軟的可清洗織物,并形成了完整的通信系統(tǒng)。這標志著我們已經(jīng)通過引入半導(dǎo)體器件,初步實現(xiàn)了“智能化”面料,填補了迄今為止制造具有復(fù)雜功能的面料的技術(shù)空白。
在這項工作中,麻省理工的研究人員采用了一種電連接二極管纖維的熱拉伸工藝,將預(yù)制棒(preform)的拉伸與高性能半導(dǎo)體器件相結(jié)合。首先,他們制造了一個大塊的預(yù)制棒,在該結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在分立的二極管以及空心通道,通過該空心通道可以饋送(feed)導(dǎo)電銅或鎢絲。當(dāng)預(yù)制棒被加熱并被拉成纖維時,將導(dǎo)線逐漸接近二極管直到它們形成電接觸,從而在單根纖維內(nèi)并聯(lián)數(shù)百個二極管。最終,他們得到了兩種類型的纖維內(nèi)器件:發(fā)光二極管和光電檢測“p-i-n”二極管。通過在纖維的包層內(nèi)設(shè)計光學(xué)透鏡,可以實現(xiàn)光準直和聚焦,并且使器件間距小于20厘米。
這種功能化的纖維材料具有一個明顯的優(yōu)點:纖維本身就具有優(yōu)異的防水性能,并且將這種二極管纖維清洗10遍后,依然能夠保持其原有的功能性。為了證明這一點,該團隊將一些光電探測纖維放入魚缸內(nèi),在魚缸外面放一盞燈,就可以將音樂以光學(xué)信號的形式快速通過水傳送給光纖;魚缸中的光纖可以將光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖信號,最后再轉(zhuǎn)換成音樂。研究人員發(fā)現(xiàn):纖維在水中放置數(shù)周后仍能保持其性能。
為了證明這種纖維的光通信性能,他們在兩種含有接收/發(fā)射極纖維的織物之間,建立了一個3MHz雙向光通信鏈路。同時,利用二極管的光電容積脈搏波脈沖測量方法(photoplethysmography pulse measurement),該智能織物能夠?qū)崟r檢測人體的生理狀態(tài),比如心率、呼吸或者脈搏等。
研究人員表示,他們的方法提供了一條在纖維中實現(xiàn)更復(fù)雜功能的途徑,預(yù)計未來幾年纖維界會出現(xiàn)一個新的“摩爾定律”。換言之,就像過去數(shù)十年集成電路性能的發(fā)展一樣,光纖的功能復(fù)雜度將隨著時間的推移呈指數(shù)級迅速增長。研究人員已經(jīng)在逐步擴展面料的基本功能,包括通信、照明、生理監(jiān)測等。未來幾年,這種類似的智能面料將為我們提供更多的增值服務(wù),不再僅僅是美觀和舒適的選擇。
a、預(yù)制棒結(jié)構(gòu)圖;
b、預(yù)制棒拉伸過程的示意圖。
a、發(fā)光纖維的示意圖;
b、包含InGaN藍色LEDs 的發(fā)光纖維圖片;
c、包含InGaN LEDs 的發(fā)光纖維發(fā)出綠色;
d、包含InGaN LEDs 的發(fā)光纖維發(fā)出紅色;
e、光探測纖維結(jié)構(gòu)示意圖;
f、包含GaAs器件的纖維電流-電壓曲線;
g、光探測纖維的帶寬測量(藍圈)。
a、嵌入織物中的發(fā)光和光檢測纖維。
b、兩根透鏡式光纖之間的通信。
c、光電檢測纖維的檢測電流信號。
a、雙向通信系統(tǒng)概念的示意圖。
b、將光檢測纖維嵌入織物中的光電檢測纖維記錄的電流實驗結(jié)果。
c、使用發(fā)光(綠光虛線)和光電檢測(黑色虛線)的光電容積脈搏波脈沖測量裝置的示意圖,纖維彼此相距5毫米。
d、由光電檢測光纖測量的電流(黑色曲線)與商用脈沖傳感器的輸出(紅色曲線)相比的實驗結(jié)果。
論文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41586-018-0390-x