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未来衣服会说话

    英国《自然》杂志8日发表了一项材料学最新研究成果:美国麻省理工学院团队通过一种新型制造方法,将发光二极管(LED)和传感器直接织入了纺织级聚合物纤维中。该工艺可用于开发能够实现光通讯和健康监测的新型可穿戴技术。
    目前纺织品和纤维的最新发展趋势是制成可以穿戴的软硬件,即一种内置电子设备的衣物。
    麻省理工学院(MIT)和美国先进功能纤维制造创新机构(AFFOA)的研究人员首次制造出了具有嵌入式电子元件的纤维,这种纤维非常柔韧,可以织成柔软的面料,也可以制成衣服。
    该工艺可用于开发能够实现光通讯和健康监测的新型可穿戴技术,能够发射或探测光的半导体二极管是通讯和传感器技术的基本构件。如果能将它们融入织物之中,则有望创造出新型可穿戴电子设备。然而事实证明,要将半导体器件的功能与基于纤维的纺织品的可扩展性结合起来,实属一件棘手的事。
    通过美国南卡罗来纳州的Inman Mills工厂将这些纤维编织成柔性的、可清洗的织物,并植入通讯系统。这标志着通过整合半导体器件,现代电子产品的关键组分,有望创造智能面料并实现长期追求的目标。
    具体细节
    麻省理工学院研究人员约尔·福林克及其同事,此次从一块较大的聚合物预制件着手,将半导体器件嵌入预制件的中空通道。然后,一边将导线穿进中空通道,一边加热并拉伸该预制件,从而形成延展的纤维束。这样一来,电连接的光发射或光探测二极管在纤维束内轴向均匀地分布开来。该工艺具有内在可扩展性,可以制造出数百米长的功能性纤维。一旦经过拉伸处理,这些纤维就可以很容易地织进织物中。
    研究团队将这些二极管纤维放进标准的家用洗衣机中转十圈,发现其性能没有受损,证明了它们的耐用性。他们还表明,可以在包含光探测和发光纤维的两种纺织品之间建立起双向光通讯链接。不仅如此,这种智能纺织品也可用于测量穿戴者的心率。
    研究人员总结表示,这种新型制造工艺使人们能够制造出具备更多先进功能的纺织品,智能纺织品和可穿戴技术或将遵照自身的“摩尔定律”,变得日益精密。
    摩尔定律
    当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。
    迄今为止,半导体器件一直是制造复杂功能面料的重要部分。
    研究人员称,这一发现可能会解锁纤维的“摩尔定律”,当然,该过程发展也十分迅速;随着时间的推移,纤维的性能呈指数增长,就像微芯片性能在过去几十年里的增长一样。
    智能纤维的前景
    麻省理工学院研究生Michael Rein在Nature(《自然》)杂志上发表了这一最新研究成果;他的研究顾问包括麻省理工学院材料科学和电气工程教授Yoel Fink,AFFOA的首席执行官,以及麻省理工学院、AFFOA、Inman Mills工厂、洛桑洛桑联邦理工学院和林肯实验室的团队。
    传统的光纤制造是利用直径为几毫米至几十毫米的光棒,即光纤预制棒,在预制棒中形成光纤的内部结构;其本质上是光纤的放大模型,加热后,在张力作用下,将软化的材料拉伸,然后把所得的纤维收集在线轴上。
    新型纤维的关键突破是使预成型发光半导体二极管尺寸有沙子粒大小、保证铜线有发丝的粗细。这样,在拉丝过程中,当在熔炉中加热时,聚合物预成型部分熔化,形成延展的纤维束,二极管沿其中心排列并通过铜线连接。
    在这种情况下,固态电子元件是使用标准微芯片技术制成的两类的二极管:发光二极管(LEDs)和光敏二极管。Rein说,“在拉丝过程中,设备和电线都维持其原有的尺寸,而周围器件的尺寸都在缩小”。将该纤维编成衣物织布,水洗10次后,证实了纤维的耐用性。
    作为本文第一作者,Rein提出了一个新的工艺概念,他认为,这种方法让我们对纤维制造过程有了新的见解,在设备中将细金属丝与颗粒混合,而不是在液态下对材料进行拉伸。
    这种功能纤维材料本身的优点是具有固有的防水性。为了证明这一点,研究小组在鱼缸中放置了一些光探测纤维。水族馆外的一盏灯以快速光学信号的形式将音乐(准确地说,是亨德尔的《水上音乐》)通过水传播到纤维上。水箱里的纤维将光脉冲转换成电信号,然后电信号又被转换成音乐。而这些纤维在水中存活了数周。
    虽然原理听起来很简单,但要始终如一地工作,确保可靠地生产大量纤维,仍是一个漫长而困难的过程。美国高级功能纤维研究所由Jason Cox和Chia-Chun Chung领导的团队研发了提高产量、吞吐量及整体的可靠性的新技术,为纤维的工业化做好了准备。与此同时,Inman Mills公司的Marty Ellis发明了一种用传统工业制造规模的织机将这些纤维织成织物的技术。
    “这篇论文将半导体器件的功能与基于纤维纺织品的可扩展性相结合。而且预计未来几年光纤中会有其特定的'摩尔定律';面料的基本功能也会包括通信、照明、生理监测等。在未来几年,这种面料将提供增值服务,而不再局限于美观和舒适,”Fink说。 
    可穿戴技术的问世时间
    Fink表示,第一批采用这项技术的商业产品最早将于明年进入市场,从实验室研究到商业化的过程非常短暂。如此快速的实验室到市场的开发首先是创建像AFFOA这样的学术-产业-政府合作的关键部分。例如涉及通信和安全的专用产品的初始应用程序。而这将成为第一个织物通信系统。我们现在正在以前所未有的速度和规模,将该技术转移到国内制造商行业。
    除了商业应用,Fink说,美国国防部AFFOA的主要支持者之一,正在探索将这些想法应用于军人的衣物上。不仅限于通讯,这些纤维还将在生物医学领域有重要的应用。例如,使用这种纤维装置制作腕带,可以测量脉搏或血氧水平;编织成绷带,可以持续监测愈合过程。
    如果以后的可穿戴技术成熟并普及开来,那么我们每个人的衣服配饰不会再死气沉沉毫无生气了,它们将如同现在的机器人一样有感应能通讯,届时可能万物互联;换言之,说不定还能和你聊天对话。那么,你是否期望这一天早点到来呢?
    虽然很多业内人士在很早就提出可穿戴技术概念和相关描述了,不过也就是最近,也就是8月8日一项图材料学上最新的突破性的研究成果才问世。
    这种织入纺织纤维的LED和传感器,则可能发挥更强大的作用。结合人工智能和大数据,它将可能是我们每个人的智能化装备。不过话又说回来了,能说话能监控你健康的衣服,未必不能监控你的言行举止,这还是一个隐私的问题,在未来的物联网时代,不得不面对。
    小编觉得这一段人工智能快速迭代发展的时间内,足以颠覆和革新我们大多普通的生活方式和认知模式,同样,也可以让我们情绪逐渐平复,到时候坦然接受新技术的到来。可穿戴技术成熟,会说话的衣服,也许会成为我们身体器官的一部分。或者说,人类普遍走入了智能科技框架内,我们可能有选择,选择我们要过的生活;也可能没得选择,融入普世般的大众又个性的生活,或现实或虚拟。

    来源:纺友网

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