柔性纖維將織物帶入信息時代

槳篤繪/編譯

一種將半導體器件嵌入纖維的技術可產生數百米長的無缺陷智能纖維。

用這些纖維編織成的服裝讓我們看見了可穿戴電子產品的奇妙未來。

試想這樣的畫面：一頂帽子能幫助盲人感知交通信號燈變化的同時又可水洗，一件衣服能作為穿著者游覽博物館時的向導。嵌有可探測和處理信號的半導體器件的智能柔性纖維有望實現這些神奇場景，而且此類纖維的性能在過去幾年里得到迅速提升，然而現有制造方法生產的半導體芯纖維可能存在斷裂等缺陷。汪志勛等人在《自然》（Nature）雜志上撰文報道了一種創新方法，將微小半導體元件送入纖維拉絲機，從而產生連續的高性能柔性纖維，它們可以彼此感知、通信和交互。

人類自石器時代以來就開始使用纖維，眼下的前沿探索是讓纖維功能不僅限于保暖。將半導體器件集成至纖維內的一大挑戰在于可穿著性，而此時的纖維必須具備這幾個特點：柔韌且可扭轉，便于編織；可水洗，可重復使用；透氣，穿著舒適。許多研究人員著重考慮這幾個方面，于是創建由非晶半導體材料制成的智能纖維設備，不過終究是傳統硅基半導體才能帶來優異的電子特性和性能。

另一種方法是生成帶有硅芯的玻璃包覆纖維，但此技術（稱為熔芯法）往往導致纖維易斷裂且有缺陷。汪等人首先對制造過程進行了詳細力學分析，以確定引起斷裂的應力源，從而克服了熔芯法的缺點。熔芯法首先將由硅或鍺制成的半導體線插入玻璃管內（詳見配圖）。這兩種材料都被加熱到至少1000℃，軟化得足以拉成細絲，然后再被冷卻。

汪等人確定了應力形成的兩個階段：半導體芯凝固點以及隨后的纖維冷卻階段。具體來說，他們發現，玻璃的黏滯性與金屬絲熔點的不匹配會在芯中引起應力，材料熱膨脹率的差異也可導致應力。研究團隊證明，通過選擇正確材料組合可以緩解這兩方面的應力問題：硅芯與超硬石英玻璃制成的包覆層配合良好，而鍺芯則在鋁硅酸鹽玻璃作包覆層時性能更佳。

汪等人制備得到的纖維無斷裂且質量高，但玻璃包覆層限制了適用范圍。因此，研究團隊將冷卻后的纖維浸入氫氟酸以去除玻璃外層，只留下半導體芯，然后將該芯與導電線一起送入聚合物管內。整個結構再次被加熱，并被拉成長達數百米的柔性纖維。由此制得的纖維采用p-n結形式，這是現代電子技術的基本構建模塊，可以將光信號轉換為電流。這個過程有點像做拔絲糖——糖絲里嵌了微小、可控的電子元件。

汪等人證明他們的纖維可用于制造多種裝備。在一個應用案例中，研究團隊將纖維編織成一頂帽子，可用于感知交通燈信號。帽子收到的信號被發送至手機，當燈變紅或變綠時，手機就會發出蜂鳴聲。在另一個案例中，纖維被編織成毛衣，用作光保真（Li-Fi）設備，這種技術以光頻率而非5G等無線網絡使用的射頻傳輸數據。毛衣探測到被編碼為光脈沖的圖像信號，接著便對這些信號進行解碼以重建圖像。

研究團隊還將他們的智能纖維編織成柔性腕帶，其性能優于類似的心率監測設備。目前可用的設備通常配置剛性傳感器，它們無法順著手腕形狀彎曲，因此可能產生不準確的測量結果。汪等人的纖維性能與這些商用硅器件相當，且還能承受高壓，例如水下3000米深度。如此這般，研究人員就可以佩戴腕帶檢測潛艇周圍的可見光。

新技術的另一關鍵優勢在于工業化潛力。制造纖維的儀器包括用于生產電信行業商用光纖的纖維拉絲裝置。一旦產生纖維，就可借助紡織工業中廣泛使用的工具將它們編織成織物。

汪和同事的工作朝著將微型計算機嵌入日常服裝的目標邁出了一大步。未來一個令人興奮的方向是為光纖配備更復雜器件，例如晶體管，并增加這些功能組件的密度。當前方法的一個局限性是它需要后處理步驟才能將高質量半導體嵌入光纖中。找到一種在制造過程中嵌入這些材料的方法將擴大纖維的電子和光電應用范圍。

鑒于汪等人開發的纖維中所嵌金屬線很容易連接到現有計算機硬件，此技術有望幫助開發集成人機系統。這項工作也讓我們能夠暢想新一代智能纖維和織物，它們能讓用戶與周圍環境無縫交互，在日常生活里體驗沉浸式虛擬現實。

資料來源 Nature

本文作者賈曉婷（Xiaoting Jia）就職于美國弗吉尼亞理工大學布拉德利電氣與計算機工程系、材料科學與工程系和神經科學學院；亞歷克斯 · 帕洛特（Alex Parrott）就職于弗吉尼亞理工大學布拉德利電氣與計算機工程系。