柔性纤维将织物带入信息时代

桨笃绘/编译

一种将半导体器件嵌入纤维的技术可产生数百米长的无缺陷智能纤维。

用这些纤维编织成的服装让我们看见了可穿戴电子产品的奇妙未来。

试想这样的画面：一顶帽子能帮助盲人感知交通信号灯变化的同时又可水洗，一件衣服能作为穿着者游览博物馆时的向导。嵌有可探测和处理信号的半导体器件的智能柔性纤维有望实现这些神奇场景，而且此类纤维的性能在过去几年里得到迅速提升，然而现有制造方法生产的半导体芯纤维可能存在断裂等缺陷。汪志勋等人在《自然》（Nature）杂志上撰文报道了一种创新方法，将微小半导体元件送入纤维拉丝机，从而产生连续的高性能柔性纤维，它们可以彼此感知、通信和交互。

人类自石器时代以来就开始使用纤维，眼下的前沿探索是让纤维功能不仅限于保暖。将半导体器件集成至纤维内的一大挑战在于可穿着性，而此时的纤维必须具备这几个特点：柔韧且可扭转，便于编织；可水洗，可重复使用；透气，穿着舒适。许多研究人员着重考虑这几个方面，于是创建由非晶半导体材料制成的智能纤维设备，不过终究是传统硅基半导体才能带来优异的电子特性和性能。

另一种方法是生成带有硅芯的玻璃包覆纤维，但此技术（称为熔芯法）往往导致纤维易断裂且有缺陷。汪等人首先对制造过程进行了详细力学分析，以确定引起断裂的应力源，从而克服了熔芯法的缺点。熔芯法首先将由硅或锗制成的半导体线插入玻璃管内（详见配图）。这两种材料都被加热到至少1000℃，软化得足以拉成细丝，然后再被冷却。

汪等人确定了应力形成的两个阶段：半导体芯凝固点以及随后的纤维冷却阶段。具体来说，他们发现，玻璃的黏滞性与金属丝熔点的不匹配会在芯中引起应力，材料热膨胀率的差异也可导致应力。研究团队证明，通过选择正确材料组合可以缓解这两方面的应力问题：硅芯与超硬石英玻璃制成的包覆层配合良好，而锗芯则在铝硅酸盐玻璃作包覆层时性能更佳。

汪等人制备得到的纤维无断裂且质量高，但玻璃包覆层限制了适用范围。因此，研究团队将冷却后的纤维浸入氢氟酸以去除玻璃外层，只留下半导体芯，然后将该芯与导电线一起送入聚合物管内。整个结构再次被加热，并被拉成长达数百米的柔性纤维。由此制得的纤维采用p-n结形式，这是现代电子技术的基本构建模块，可以将光信号转换为电流。这个过程有点像做拔丝糖——糖丝里嵌了微小、可控的电子元件。

汪等人证明他们的纤维可用于制造多种装备。在一个应用案例中，研究团队将纤维编织成一顶帽子，可用于感知交通灯信号。帽子收到的信号被发送至手机，当灯变红或变绿时，手机就会发出蜂鸣声。在另一个案例中，纤维被编织成毛衣，用作光保真（Li-Fi）设备，这种技术以光频率而非5G等无线网络使用的射频传输数据。毛衣探测到被编码为光脉冲的图像信号，接着便对这些信号进行解码以重建图像。

研究团队还将他们的智能纤维编织成柔性腕带，其性能优于类似的心率监测设备。目前可用的设备通常配置刚性传感器，它们无法顺着手腕形状弯曲，因此可能产生不准确的测量结果。汪等人的纤维性能与这些商用硅器件相当，且还能承受高压，例如水下3000米深度。如此这般，研究人员就可以佩戴腕带检测潜艇周圍的可见光。

新技术的另一关键优势在于工业化潜力。制造纤维的仪器包括用于生产电信行业商用光纤的纤维拉丝装置。一旦产生纤维，就可借助纺织工业中广泛使用的工具将它们编织成织物。

汪和同事的工作朝着将微型计算机嵌入日常服装的目标迈出了一大步。未来一个令人兴奋的方向是为光纤配备更复杂器件，例如晶体管，并增加这些功能组件的密度。当前方法的一个局限性是它需要后处理步骤才能将高质量半导体嵌入光纤中。找到一种在制造过程中嵌入这些材料的方法将扩大纤维的电子和光电应用范围。

鉴于汪等人开发的纤维中所嵌金属线很容易连接到现有计算机硬件，此技术有望帮助开发集成人机系统。这项工作也让我们能够畅想新一代智能纤维和织物，它们能让用户与周围环境无缝交互，在日常生活里体验沉浸式虚拟现实。

资料来源 Nature

本文作者贾晓婷（Xiaoting Jia）就职于美国弗吉尼亚理工大学布拉德利电气与计算机工程系、材料科学与工程系和神经科学学院；亚历克斯 · 帕洛特（Alex Parrott）就职于弗吉尼亚理工大学布拉德利电气与计算机工程系。