热拉式多材料纤维光电子技术研究进展与展望

张 晶，黄治恒，牛广亮，梁 生，杨旅云，魏 磊，周时凤，侯 冲,6，陶光明,7

(1.中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074；2.华中科技大学 武汉光电国家研究中心和光谷实验室，湖北 武汉 430074；3.北京交通大学 物理科学与工程学院，北京 100044；4.南洋理工大学 电气与电子工程学院，新加坡 639798；5.华南理工大学 材料科学与工程学院，广东 广州 510640；6.华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074；7.华中科技大学 材料成型与模具技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430074)

纺织品作为最早的纤维材料，自出现以来，即有蔽体遮羞、隔湿保暖、装饰美化等多种用途。我国纺织业历史悠久且成就斐然，早在五六千年前的新石器时代，我们的祖先就开始使用葛藤纤维、蚕丝、动物毛纤维等天然动植物纤维纺纱、织布用于衣着[1]。随着社会的发展，我国的纺织纤维原料和纺织技术取得了巨大的进步。纺织纤维不仅可取材于棉、麻、蚕丝、羊毛等天然动植物纤维，亦可由纤维素、高分子化合物及玻璃纤维等化学纤维构成[2]。随着现代科技发展及生活水平提升，在现有高品质纤维的基础上，研究者开始探索具有传感监测、温控储能、交互控制等附加功能的智能纺织品。智能纺织品所具备的轻便透气、柔软等织物传统优势，使其能够更好地适应体表三维曲面，并获取更为丰富而准确的信息。

在众多纤维制造技术中，可制备多材料纤维的热拉工艺为智能纺织品的创新和发展提供了一种值得探索的研究方向[3]。纤维热拉工艺最初为批量化生产通信用石英光纤而发明，通过制棒—加热—软化—拉丝工艺，具有芯-包层结构的光纤石英预制棒热拉制为微米级直径的光纤[4]。与光纤的制备过程类似，基于热拉工艺的多材料纤维制备一般包括2个步骤：第1步是制造具有特定结构与材料组成的预制棒；第2步则将多材料预制棒在加热炉内软化，并被施以外力拉制成具有相同结构、直径为微米级的细丝。目前，热拉工艺不仅可制备传统的石英玻璃光纤，亦可制备包含有聚合物、金属、半导体、玻璃等种类丰富的多材料功能纤维。热拉制技术作为一种新颖的纤维制造方式表现出独特的特点：1)纤维预制棒在厘米尺度上构建，其内部结构可通过机械加工精确调控；2)具有声、光、电、磁、压电、热电等特性的功能材料，以及具有运算及显示功能的微型芯片，均可共拉制备复合功能智能纤维；3)热拉工艺具备可扩展、批量生产性，单一预制棒通过轴向尺度缩小即可制备千米级长度的纤维；4)可采用保护性包层材料封装功能纤维，赋予纤维防水、不受环境影响等特性。基于热拉工艺的特点，热拉式多材料纤维已成为智能纺织品探索的重要方向。

本文介绍了基于热拉工艺制备的多材料纤维的典型结构及其传感功能，梳理分析了柔性能源纤维、神经探针纤维、可运算纤维等功能纤维的研究进展，并对热拉式多材料纤维的潜在发展方向及应用前景进行了展望。

1 微纳结构纤维

热拉式多材料纤维由预制棒加热拉丝制得，纤维横截面可通过预制棒结构设计以具有丰富的功能结构，而纤维纵轴向一般为单一连续结构。为进一步丰富纤维纵轴向结构，增加纤维的功能和可设计维度，研究人员一直致力于制备具有纵轴向微纳结构的多材料纤维。结合纤维内流体不稳定性形变、冷拉形变、表面微纳压印等原理，热拉纤维目前突破了单一纵轴向连续结构，可构建微纳结构及功能单元，如图1所示。

图1 具有微纳结构的热拉式多材料光电子纤维示意图

1.1 一维光子带隙光纤

由于光纤材料对中红外光波段具有吸收、散射等效应，传统光纤往往难以实现对中红外光波段的低损耗传输，因此通过光纤结构设计以降低中红外光波传输损耗成为一个重要研究方向。由热拉工艺制备的空芯布拉格光纤成为良好的发展方向。空芯布拉格光纤通过高低折射率周期性交替层构成光子带隙(PBG)反射镜(见图1(a))，将光波约束在空芯腔内进行传播。Temelkuran 等[5]基于全向介质镜纤维制造技术[6]，围绕空芯腔构造了亚微米厚度的多层光栅结构，高折射率玻璃三硫化二砷(As2Se3)和低折射率聚合物聚醚砜(PES)交替层组成PBG反射镜，使得10.6 μm波长的CO2激光可被空芯腔反射并传导。其损耗小于1.0 dB/m，远低于已报道的可用于CO2激光传输的光纤损耗[7]，展现了光纤结构设计实现中红外光波段低损耗传导的潜力，在医疗等领域将有广泛的应用前景。

1.2 纤维内纳米线

热拉式多材料纤维可具有纳米线结构，其制备目前采取2种方式：1)基于热拉纤维内流体不稳定性制备；2)采用多步迭代热拉法制备。2008年，Deng等[8]构造同轴多层半导体薄膜预制棒进行热拉制。薄膜厚度小于一定限度时，热拉纤维中的半导体圆柱壳因流体不稳定性引起的扰动破裂成微米至纳米级细丝阵列。此外，Kaufman等[9]采用多步迭代热拉在聚合物PES中制备了50～200 nm玻璃As2Se3纳米线。他们首先制备了具有厘米级直径的纤维预制棒并将其拉制为微米纤维；然后，将拉制的纤维组装于新的预制棒中进一步热拉，如有需要可重复拉制步骤。多步迭代热拉可扩展地逐级降低芯部材料尺度，形成纤维内纳米线(见图1(b))。这种独特的纤维热拉纳米线具有多个优势：1)在单根纤维中产生多个纤芯纳米线，如1根直径为1 mm的纤维内部即可产生107个直径为100 nm的纳米线；2)纤维内纳米线阵列方向可控；3)多材料适配性，热拉纤维内可制备有序均匀金属玻璃线，其可控特征尺寸低至几十纳米，纵横比大于1010，解决了纳米级金属玻璃线制造的技术难题[10]。

1.3 纤维内微纳米颗粒

微纳米粒子因具有微观结构并由特殊材料组成，在药物运输[11]、生物催化及光学涂层[12]多种领域具有广泛应用。微纳米粒子制造一般通过化学合成、物理抛磨、微纳光刻工艺等方式实现。基于多材料纤维内的界面效应，热加工可诱发并控制纤维内流体不稳定性形变，使材料回流、破裂以制备微米及亚微米级球、棒结构(见图1(c)、(d))。

2012年，Kaufman等[13]首次利用热拉纤维来制备尺寸均匀、特殊结构的球形颗粒，采用聚合物PES与玻璃As2Se3热共拉方式制得纤维，随后热处理纤维诱导Plateau-Rayleigh不稳定性形变，使纤芯分裂成独立的微球结构，为微纳粒子制备提供了新路径。如通过设计纤维界面结构的方法可批量制备Janus球、径向对称球等复合结构(见图1(c))。该方法亦可与纤维内结构设计相结合，构建具有功能单元的智能感知纤维[14]。Wei等[15]在纤维内精密构造金属-半导体微球-金属光纤器件，金属导线与半导体微球连接构成阶梯状结构，赋予单根玻璃纤维光敏测量特性，显著增加了纤维内功能器件密度。此外，纤维内粒子还可通过激光热毛细对流进行精准定位与调控[16]，精密制造半导体光电子器件，未来有望在可穿戴、成像诊断、地质勘查等领域发挥作用。

不同于上述热诱导纤维内纤芯Plateau-Rayleigh不稳定性，纺织工业中的冷拉伸工艺[17]亦可用于热拉式多材料纤维的结构调控。延展性聚合物与脆性材料间的组合具有机械不匹配性，冷拉伸多材料多结构纤维可用于制造纤维内微纳米结构棒(见图1(d))。冷拉伸的聚合物纤维沿轴向生成扩展肩，纤芯在肩部周期有序地破碎成微纳米结构棒，可制备双室平行Janus粒子、中空圆柱形Janus粒子和带有方孔的三角形粒子等微纳米棒结构[18]。纤维内部碎裂在冷拉伸后是热可逆的，将纤维加热到其玻璃化转变温度以上会导致碎裂的纤芯自我修复。这种动态和热可逆地控制纤维内结构，为微纳米多结构棒的可扩展生产提供新途径。

1.4 表面微纳米图案纤维

除了关注纤维的材料选择和内部结构调控外，热拉式多材料纤维表面亦可构建特殊微纳米结构，使纤维具有疏水表面、结构生色、抗菌等特性。Khudiyev等[19]构造了表面具有特定图案的预制棒，热拉过程的高拉伸比可制备具有亚微米结构表面的功能纤维。纤维表面形成衍射光栅与各向异性结构，赋予纤维结构生色和定向湿润特性。另一种热拉表面微结构纤维则是在热拉过程中对纤维进行表面压花处理[20](见图1(e))。1对压花辊固定在热拉纤维颈缩区域正下方，由于颈缩区域的温度足够高，压花辊直接在纤维表面压印图案，压印特征尺寸仅数十纳米。具有表面微结构的纤维可用作摩擦纳米发电纤维，具有显著增强的电流输出特性[21]。

1.5 多孔纤维

多孔纤维内部存在孔隙结构，可应用于气体分离、湿度传感[22]和组织工程支架[23]。传统工艺一般采用相分离聚合物挤出液以批量制备圆柱形状多孔纤维。基于传统相分离工艺原理，热拉工艺可诱导纤维预制棒内聚合物-溶剂混合物相分离，构筑多孔纤维。热拉式多孔纤维可由冷却速率控制孔隙尺寸，孔隙在500 nm～10 μm范围内可调[24]。Shahriari等[23]则将盐浸与热拉制结合，制备氯化钠颗粒与聚己内酯(PCL)复合纤维。纤维浸泡在溶剂中去除盐颗粒以获得多孔结构，得到带有微通道的PCL多孔纤维(见图1(f))。这些微通道的多孔纤维还能进行表面熔融印刷处理，排列成可应用于神经再生与组织修复的生物支架。

2 热拉传感纤维

纤维及其织物长久以来作为服饰、蒙皮等服务于人类社会，因此，纤维及其织物的智能化发展可作为人体良好的“无负担型”传感与状态监测媒介。基于热拉工艺的传感纤维内部可集成具有声、光、电等特性的多种功能材料，赋予纤维声波、光电、应力及生化传感功能(见图2中a～d)。热拉式传感纤维具有结构设计与多材料多功能集成特性，为纤维的智能传感与监测提供新的研究思路。

2.1 声波感知纤维

织物一般由互相缠绕的纱线组成的层级结构构成，这种结构中庞大且复杂的界面可高效地散射并传播声子，成为声波探测的良好载体，而热拉式多材料纤维也展现出声波感知的巨大潜力。Egusa等[25]通过热拉工艺在纤维内部集成铁电聚合物，得到能感知千赫兹到兆赫兹频率的压电式声学传感纤维。随后，设计出金属-导电聚合物-压电层的蛇形纤维结构，解决了声波感应面积最大化与感应界面固有能量损失的问题[26]。Wang等[27]通过热拉工艺将薄层压电聚合物聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物与金属电极相集成，研发了柔性声波感知纤维器件，其可感知较宽频率范围(2～8 MHz)的超声波。除了探测高频声波信号外，热拉式多材料纤维亦可像人耳一样感知并记录微小低频声波信号。Yan等[28]采用热拉法将压电材料、电极及氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)弹性材料集成为柔性声波感知纤维。该纤维被编织进织物中组成声波探测织物，可像耳蜗一样将微弱的声波振动转化为电信号，实现声音的感知与分析(见图2中a)。

图2 热拉式多材料光电子纤维的应用领域及展望

2.2 光电感知纤维

基于热拉工艺制备的金属-半导体-绝缘体结构功能纤维具有光电感知功能。Abouraddy等[29]设计了一种四电极环绕半导体芯的聚合物光电纤维，可被编织成光电探测纤维网，在大范围探测光场强度与方向(见图2中b)。得益于热拉式多材料纤维的结构可设计特性，光电感知纤维内部还能集成布拉格光栅结构[30]，使其具备光谱响应功能，显著增强感应电流[31]。热拉纤维通过内部集成金属-半导体-绝缘体实现了光电探测能力，但芯部较大尺寸的半导体会给电子-空穴对带来大量的复合陷阱，限制了纤维的探测能力。以半导体薄膜替代块状半导体，Sorin 等[32]在纤维内部集成了8个光电探测器，其特征尺寸仅为100 nm。这种独特的双环光纤能在可见光范围内具有5 nm的波长分辨率，对入射光的角度分辨率小于4°，提高了纤维的光电感知性能。另一种策略则是诱导纤维发生液柱在界面张力作用下破碎成小液滴的自然现象，增大纤维内功能结构密度[33]。Dai等[34]展示了外包聚甲基丙烯酸甲酯的铜丝-硒-铜丝光电纤维，实现了0.11 s的快速响应特性。此外，热拉式多材料光电纤维还可与3D打印技术相结合制造出超平面形式的结构[35]，用于探测飞机机翼内部的结构缺陷。

2.3 应力感知纤维

基于热拉工艺制备的纤维应力传感器可以检测压力、弯曲、剪切等外部刺激，将其按一定的规律转化为电信号，可应用在运动[36]、人体行为检测[37-38]、机器皮肤[39]等多个领域。同时，热拉式应力感知纤维应具有较好的柔韧性和延展性，适应复杂的人体曲面。Nguyen-Dang等[40]设计了一种悬梁臂结构的微机电纤维，可实现单纤检测多点压力与亚毫米级位置定位，为可穿戴织物大面积传感与定位提供重要机遇。上述微机电纤维外包层是刚性结构，限制了其应力传感范围(大于0.3 N)。软弹性体聚合物结构内连续热共拉导电功能材料可解决上述问题，如载碳聚乙烯、液态金属。通过流变学和微观结构分析，SEBS、有机硅氧烷脲共聚物等弹性体聚合物被识别出可在高黏度(大于1 000 Pa·s)下进行热拉制[41]。Leber等[42]通过热拉工艺制备了柔软可拉伸的多电极液态金属传输线。传输线通过电时域反射仪可在单纤上同时测量拉力与压力并解耦，其压力的分辨率可达0.2 N，空间分辨率小于6 cm。单根液态金属传输线可集成于纺织品中进行压力分布式传感，实现纺织品的大面积功能化(见图2中c)。

2.4 生化感知纤维

基于热拉纤维的生物化学传感器在捕获和感知目标物质上展现出高灵敏、易制作、低成本等优势。为实现远程监测有毒有害气体，Gumennik等[43]将光探测元件整体式集成在聚合物纤维中空芯的两侧，纤维空芯腔内表面涂覆传感材料，材料可与流经纤维芯的过氧化氢蒸汽发生化学反应而产生光波，并被嵌入光纤的光电探测器感知(见图2中d)。为了实现便携式的定量分析检测，Richard等[44]采用热拉工艺制备了全光纤电化学传感器，并使用对乙酰氨基酚作为个性化医疗的模型分析物来表征设备性能，其灵敏度与商业丝网印刷电极相当。通过使用 “电化学移液器吸头”，该纤维可直接采样并分析微升量级的液体，构成一种低功耗、完全便携的分析仪。

3 柔性能源纤维

智能纺织品可作为人体与外界环境的一道保护屏障。通过物理光学、材料科学和纺织工程学等多学科融合而产生的热拉式功能纤维，将有望提供温度可调节及能源可收集的功能性纤维制品(见图2中e～g)。

3.1 温控织物

为应对全球变暖和极端高温挑战，缓解能源消耗和个人热舒适性的矛盾，具有先进个人热管理功能的智能纺织品受到广泛关注[45]。其中，热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，但其通常块状刚性、体积大的特点限制了在人体不规则表面的应用。柔性热电纤维通过将热电材料热拉为纤维状，可使热电器件具有柔软、轻便等特点，将其集成于日常服装中可实现温度调控功能(见图2中e)。Zhang等[46]在纤维中集成p型Bi0.5Sb1.5Te3和n型Bi2Se3来制造超长柔性热电纤维，其具有与块状热电材料相同的热电性能，进一步编织成柔性织物可实现最高5 ℃的体温调节。此外，单晶硒化锡(SnSe)也是高性能的热电代表材料，可实现高效的热电转换。Zhang等[47]提出了一种超长纤维状单晶SnSe线的制备策略，其具有岩盐结构和高热电性能。SnSe材料通过热拉工艺产生多晶热电纤维，然后CO2激光器诱导SnSe纤芯重结晶为单晶结构，使纤维在862 K时具有最高为2的高热电优值。

基于对材料的选择与结构调控，热拉纤维内可集成热电材料以实现能源纤维的热管理功能。此外，可通过纤维材料及织物结构设计提高纺织品的热辐射性能，使纤维具有辐射降温功能。类似于热拉工艺的加热-软化-拉丝原理，熔融纺丝工艺亦可实现多材料能源纤维制备，并可更好地与传统纺织工艺兼容以批量制备温度调控纤维。Zeng等[48]基于辐射降温的原理和形态分级的设计理念开发了一种选择性响应的光学超材料织物，其可在暴晒环境中为人体降温近5 ℃，选用聚乳酸为纤维原料，引入不同尺寸的纳米二氧化钛颗粒，获得了均匀连续的超材料纤维；进一步利用纺纱、织造和层压技术，以及米氏散射理论和蒙特卡罗模拟的数值模型进行结构设计及优化，得到在太阳光波段(0.3～2.5 μm)具有92.4%反射率、在大气透明光谱窗口(8～13 μm)具有94.5%发射率的超材料织物(见图2中f)。这项研究实现了不同学科之间的交叉融合，并为大规模制造超材料织物提供了可行的方案，对传统纺织工业的创新和发展具有重要的启示。

3.2 柔性纤维电池

随着人们对可穿戴电子设备需求的不断增加，对柔性能源纤维的研究尤为迫切，它将使可穿戴电子设备的全柔性化成为可能[49]。构建基于纤维电池的自供电纺织品集成系统是当前的发展趋势。Khudiyev等[50]使用热拉工艺制备了一种超长的柔性锂离子纤维电池，实现了在柔性包壳中容纳多种复杂的电活性凝胶、粒子和聚合物(见图2中g)。这种方法可制备出任意长度、具有复合功能的锂离子纤维电池，其中长度为140 m的纤维电池的放电容量为123 mA·h，放电能量为217 mW·h。柔性纤维电池具有可拓展性和材料可调性，可适用于各种非平面的电子系统，将来有望为基于纤维的电子设备和传感器供电。

目前，除热拉工艺外，常见的柔性纤维电池制备工艺还包括以传统纤维为基础的纤维表面功能化工艺，也为柔性纤维电池的发展开启新的窗口。Yang等[51]采用水热合成法制造了一种基于导电纤维基板的柔性镍-铁电池。在电流密度为2 mA/cm2、面能量密度为235.6 μW·h/cm2的条件下，组装后的纤维状水基可充电电池的容量为0.294 mA/cm2，可解决电池中易燃有机电解液带来的安全问题。受限于低能量密度的铁基负极材料，Yang等[52]进一步对高能量密度可穿戴式镍-铁电池进行了探索研究。以生长有硫掺杂氧化铁纳米线阵列的碳纳米管纤维作为负极，使用锌镍钴氧化物复合材料作为正极，纤维状水基电池的容量为0.46 mA·h/cm2，体积能量密度为67.32 mW·h/cm3，性能优于大多数纤维状水基二次电池。

4 其它功能特种纤维

4.1 神经探针纤维

随着光遗传学和神经科学的发展，光纤开始作为神经探针对神经细胞进行刺激、探测和调控。传统的玻璃光纤易造成生物组织损伤，留下神经胶质瘢痕。相比之下，热拉式多材料纤维具有良好的柔性[53]、生物相容性[54]、信号记录及药物运输功能，在神经探针领域具有巨大的应用前景(见图2中h)。

由于神经组织弹性模量低，神经探针必须有足够的柔韧性并可经受脊髓的反复拉伸[55]。Lu等[56]研究了一种柔性可拉伸探针，它以热拉伸聚合物纤维为芯，表面覆盖一层银纳米线导电网，该结构被封装在一层聚二甲基硅氧烷中防止其氧化与降解。该探针可以记录光学诱发脊髓神经电位，促进脊髓损伤后的恢复。除了改善探针的柔性外，长期光刺激与信号探测有益于理解脑中神经网络、治疗神经系统疾病[57]。Du等[58]研究了一种可以长期产生光学刺激与神经信号的柔性微小探针，它通过热拉工艺嵌入金属电极于双包层光波导的聚合物光纤中，具有良好的生物相容性。在小鼠的单细胞水平上，长期(至少10周)的光学刺激和神经信号可得到有效记录。此外，多材料功能纤维还可用于免疫疗法的药物递送和肿瘤的阻抗测量。例如，芯层为聚碳酸酯、包层为聚偏二氟乙烯的光纤中嵌入2根铜电极，可用于肿瘤的阻抗测量，纤维通过纤芯中留有的空芯通道用于精准局部给药[59]。

热拉式多材料纤维能够在单根纤维上将具有不同电学、光学、力学和流变特性的材料结合在一起[60]，实现了神经记录、光遗传学刺激和药物传递等多种功能的集成[61]。除了上述单点式的神经纤维探针外，也研发了空间可拓展的多点式神经纤维探针[62]。飞秒激光微加工技术在沿光纤轴向的不同间隔位置上暴露电极记录点、微流体通道开口和波导窗口，最终实现单根纤维对深部脑组织的多点式记录和操作。

4.2 芯片纤维

半导体二极管是现代计算、通信和传感器件的基本组成部分，将其纳入纺织级纤维中可使织物具有通信或生理检测等功能。通过热拉工艺，商用高性能半导体二极管亦可集成于纤维内。Rein等[63]将微型光电芯片嵌入到纤维预制棒中，通过热拉工艺的加热—拉制过程，芯片与导线的横向间距逐渐减小，最终实现电接触。发光二极管和p-i-n光电二极管均已成功整合到光纤中，并且排编织进日常织物，形成可测量心率的光学脉动纺织品传感器(见图2中i)。之后，该团队又使用上述制备方法将具有4个角定位接触垫的方形硅微型数字芯片与钨丝结合，制备了一种可长达数十米的数字光纤[64](见图2中j)。该柔性光纤每米的存储密度约为7.6×105bit，整根智能芯片纤维中的芯片可单独寻址。当将数字纤维整合到衬衫中时，它可以收集和存储多天的体温数据，并通过经过训练的神经网络实时推断佩戴者的活动，准确度可达96%。

5 展 望

随着我国材料科学与先进制造工艺的发展，纤维及其制品可以通过涂层、纺丝、沉积及印刷等多种工艺被赋予多种多样的功能。基于热拉工艺制备多材料纤维，是近年来伴随材料科学、界面固体力学、光纤光学等多学科发展而产生的新兴制备工艺。基于热拉工艺制备纤维及其制品，可通过预制棒精确地构建及集成所需材料与结构。热拉制过程中的纤维具有轴向均一性，可保证声、光、电、热、磁、机械等功能材料在纤维内高度集成，制备具有复杂及复合功能的光电子功能纤维。未来热拉式多材料纤维光电子技术领域的研究还需关注以下方面。

材料选择：相较于丰富的纺织纤维材料体系，基于热拉工艺制备的多材料纤维可选材料依然受限，其功能性依然具有探索空间。应进一步探索并拓展可适配于热拉工艺的材料体系，丰富纤维功能及应用场景。

纤维结构调控：基于热拉工艺制备多材料纤维，虽可在纤维纵轴向及横截面进行结构设计，但热拉工艺仍会导致结构异常而限制纤维功能性。如何改善纤维内部材料的界面微观结构，提升纤维结构稳定度和精确度，是提升热拉纤维性能需关注的关键问题。

纺织加工：目前，热拉式多材料纤维一般通过织入现有织物而实现其功能，热拉式多材料纤维制备过程尚不能达到纺织纤维的制备工艺稳定度。同时，由热拉式多材料纤维构成的智能织物其可穿戴、舒适性依然有待提升。为达到纺织纤维标准，热拉工艺仍需改善，以便与纺织加工相结合开发出具有良好可穿戴特性的多功能纤维基智能纺织品。

功能集成：当前大多数热拉式多材料纤维都表现出单一功能，将多种功能独立地集成到单根纤维中仍是重大挑战。增加单根纤维中的功能器件密度需要保证功能结构的基础上，尽可能地缩小其特征尺寸。如何提升热拉纤维功能集成度及功能单元密度仍需进一步探索。

智能织物：当单个纤维可以执行传感、数据存储、处理和通信功能时，这些纤维所组成的智能纺织品即成为一个全新的计算织物[65]。人体穿着于这样的智能纺织品使得身体大量的声、光电、生化信息被采集捕捉，计算织物通过人工智能与机器学习算法分析这些数据，进一步可从织物中提取人体行为与生理健康等相关参数[66]。通过多功能纤维作为执行单元，人工智能技术作为认知引擎可制得一种健康智能体。多种健康智能体可以部署在多个场景如健康监测、治疗、健康保护和微创手术中[67]。此外，为了更好地满足医疗的智能化需求，提出了由织物作为传感单元、多层级网络作为传输架构、人工智能技术作为计算核心的织物智能空间的概念[68]。

热拉式多材料纤维光电子技术在通信、可穿戴感知、能源、神经科学及人工智能等多个技术领域展现出广泛的应用前景。未来的热拉式多材料纤维将从单一功能纤维向多参量感知、复合功能纤维、智能计算纤维等多方向发展，在传感监测、换能储能、体温调控、交互控制、人工智能等多个领域发挥作用。同时，热拉纤维需积极结合纺织科学、信息与计算科学、材料科学等多研究方向，进一步拓展其场景普适性，提升其穿戴舒适性，发展其工业生产批量性。热拉式多材料纤维光电子技术有望发展成为具有新经济增长点的多功能智能纺织品，为基于纤维及织物的信号传感与分析、能源收集与转化、环境监测与调控等提供新思路，在人体健康管理、环境信息监测、设备智能蒙皮、地学信息探测等多研究领域提供可靠解决方案。