隨著可穿戴技術的迅速發展，人們對將電子技術與紡織品相結合的研究引起了科學家的廣泛關注。這是因為將電子功能集成到纖維和紡織品中，從而賦予服裝新的智能功能和交互性。然而，傳統的基于馮·諾伊曼架構的電子系統在紡織品中的無縫集成面臨著一系列挑戰，包括能量效率、穿著舒適性和清洗性等方面的限制。
為了使得紡織電子能夠滿足人類現實生活的需求：無需電池、無需芯片、可清洗、可編織。因此，科學家們開始探索一種非馮·諾伊曼架構的纖維電子系統，旨在將電子組件整合到單根纖維中，并使之具備無線傳輸、傳感處理和反饋等功能，以成為電子紡織品的構建模塊。然而，要將基于芯片的紡織系統的交互功能轉換為無線和無芯片形式，面臨著諸多技術難題。首先，在單根纖維中實現同時限制和輻射能量或電信號的交互是一個挑戰，因為目前尚不存在能夠動態切換振蕩和限制電荷對的能量交互機制。其次，當前的信號調制原理依賴于復雜的模擬電路和大量的電子組件，難以集成到常用的軟纖維中。
為了解決這些問題，東華大學材料科學與工程學院先進功能材料課題組王宏志教授、侯成義研究員和張青紅教授攜手提出了一種基于人體耦合能量交互機制的纖維電子技術。這項技術利用人體作為交互對象，通過耦合周圍的電磁能量，在電子纖維和人體之間生成束縛電荷對，實現了無線傳輸和傳感信號的發射。同時，還引入了電場敏感的發光介質，提供了人可讀的反饋，從而將傳感器和執行器統一到單個纖維上。以上成果在Science頂刊發題為“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”研究論文。這一成果不僅為智能紡織品的發展開辟了新的道路，也為人們提供了更加舒適、便捷和智能化的穿著體驗。
作者通過比較傳統基于芯片的電子紡織系統和他們提出的無芯片、無線交互式紡織系統，闡述了傳統系統在柔性集成和舒適性方面存在的限制。具體來說，在圖1A中，通過對比兩種系統的結構和組件，指出了傳統系統在與皮膚的合攏附著、多節點集成、以及清洗方面存在的困難。相比之下，圖1B揭示了無芯片、無線交互式紡織系統的設計原理，即由無線接收器和無線發射器構成的i-纖維，具有天線核心、介電層和光學層等功能層。同時，人體作為另一極，通過接觸形成界面接觸電容，實現了與環境的交互。圖1C和1D進一步展示了i-纖維在人體接觸情況下的工作原理，通過人體耦合實現了電磁能量的收集和光信號的發射，從而實現了智能紡織系統的無線交互功能。
圖1. 體耦合交互式光纖的設計和原理。
在圖2中，作者通過實驗驗證了人體耦合環境電磁能量收集的機制。具體來說，圖2A和2B描述了通過i-纖維收集各種環境電磁場的原理，以及人體耦合的交互式纖維電子系統的構造。圖2C展示了等效電路模型，說明了纖維電子系統通過人體耦合實現了電磁能量的收集。實驗結果顯示，在不同頻段下，通過人體耦合收集的電磁能量明顯高于空氣耦合。同時，隨著距離的增加，能量收集效率逐漸降低，這進一步證明了人體耦合的有效性。圖2D則展示了在辦公環境中通過人體耦合和空氣耦合的環境電磁波的功率譜，表明通過人體耦合的能量收集效率更高。此外，在不同介質中的實驗結果（圖2F）表明，纖維在水中具有更高的電磁能量收集能力，這為智能紡織系統在不同環境中的應用提供了可能性。最后，通過COMSOL模擬結果進一步驗證了i-纖維在不同環境中的響應，進一步證實了人體耦合環境電磁能量收集的有效性。這些研究成果不僅為智能紡織領域的發展提供了新的思路和方法，還為未來智能紡織系統在舒適性、智能化和可穿戴性等方面的進一步優化和應用提供了重要參考。
圖2. 通過體耦合交互式光纖收集環境電磁能量。
圖3展示了通過單個i-纖維調制和傳輸無線光學和電信號的機制。他們首先描述了通過打破接觸界面的限制電荷對的平衡，并引入快速變化的電位移場或磁場來無線傳輸瞬時觸覺傳感信號的機制。然后，他們呈現了i-纖維的等效電路模型，說明了在i-纖維中實現EM波輻射的LC振蕩。接著，作者說明了通過調節i-纖維的高介電涂層厚度可以調節無線電信號的頻率和幅度，以及光學信號的頻率。最后，他們測量了無線光學和電信號隨距離的衰減情況，并證明了i-纖維可以以全向方式傳輸無線光學和電信號。通過這些實驗，作者深入探討了無芯片交互式紡織系統的調制和傳輸機制，為可穿戴技術的發展提供了重要的理論和實驗基礎。
圖3. 無線光信號和電信號的調制和傳輸。
下圖4展示了連續制造、編織和川畑織物風格評估的過程。作者采用了逐層涂覆制造工藝，將高介電材料和熒光粉混合在樹脂中，并涂覆在導電纖維表面，成功地實現了對i-纖維的連續制造（圖4A）。這種制造過程的實現離不開對電子模塊的擺脫，使得作者可以利用時尚產業的制造技術。實驗結果顯示，所制備的纖維具有優秀的柔軟度、細度和斷裂強度，使其能夠通過數碼縫紉機進行縫制和刺繡（圖4B和C）。此外，作者還通過引入熒光染料成功地調節了纖維的固有色和發射色，使其呈現出不同的發光色彩（圖4D和E）。在穿著舒適性方面，與傳統的基于芯片的電子紡織品相比，作者的無芯片無線紡織品具有更好的透氣性，符合皮膚微環境的舒適性要求（圖4F和G）。此外，通過使用川畑織物風格評價系統，作者發現i-纖維的使用能夠改善織物的彎曲、剪切和表面光滑性能（圖4H）。最后，作者還進行了標準洗滌和后洗滌色牢度測試，結果顯示經過25次標準洗滌后，紡織電子仍保持原始的外觀和性能，證明了其良好的耐洗性能（圖4I）。
圖4. 連續制造、織造和 Kawabata 織物風格評估。
圖5展示了無芯片紡織電子的多種應用場景。首先，作者展示了i-纖維在提供聾人輔助光學通信方面的潛在應用。通過一個644個獨立像素的觸摸板和相應數量的紡織顯示墊，該系統可以實現舒適、連續、實時的信息傳遞，無需額外的電子組件或能量供應單元。其次，作者設計了一種集成無線發光圖案和無芯片顯示功能的服裝，通過身體耦合動態紡織顯示，可以實現幾乎沒有延遲的紡織顯示系統。此外，作者利用身體耦合纖維電子技術開發了一種單纖維啟用的交互式紡織品，實現了對虛擬游戲的實時控制。最后，作者展示了無線觸覺地毯的潛在應用，該地毯可以通過與人體接觸，激活纖維來可視化觸摸區域并傳輸無線感知信號，從而控制室內電子設備。這些應用展示了無芯片紡織電子在輔助通信、虛擬互動、智能家居等多個領域的潛在應用，具有重要的實用性和創新性。
圖5. 無芯片紡織電子產品的應用。
【科學啟迪】
本文開發了一種創新的纖維電子技術，利用人體與環境中的電磁能量進行交互，實現了無需芯片的無線傳感、顯示和邏輯交互功能。這一技術突破了傳統電子組件的限制，使得電子裝置可以以柔性纖維的形式集成到智能服裝中，為可穿戴技術領域帶來了重大的突破。通過深入探討電磁能量的收集和交互信號的傳輸機制，本研究不僅提供了理論基礎，還為未來纖維電子的設計和制造提供了新思路。此外，文章還展示了該技術在輔助通信、智能家居和虛擬現實等領域的廣泛應用，為社會生活和科技進步帶來了巨大的潛力。這一創新性技術的發展不僅將推動可穿戴電子產品的發展，還將促進智能化生活方式的普及，對于未來智能化社會的建設具有重要意義。
參考文獻：
Weifeng Yang et al. ,Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics.Science384,74-81(2024).DOI:10.1126/science.adk3755
