來(lai)自麻省理工(gong)學院和AFFOA的(de)(de)(de)研究(jiu)人員第(di)一(yi)次生產了(le)帶有(you)嵌入(ru)(ru)式電子設備(bei)的(de)(de)(de)纖維，這些纖維非(fei)常靈活(huo)，可(ke)以織入(ru)(ru)柔軟的(de)(de)(de)織物中，制成可(ke)穿戴(dai)的(de)(de)(de)衣服。

（圖片(pian)：由研究人員提(ti)供）

 

 

研究人員將(jiang)光電二極管集成到纖(xian)維中，并(bing)將(jiang)其(qi)編織成可洗的織物。

紡(fang)織品和纖(xian)維的(de)最(zui)新發展(zhan)是(shi)一(yi)種你可以(yi)穿的(de)軟硬(ying)件：有電(dian)子設備的(de)布料直(zhi)接內(nei)置在里(li)面。

 

麻省(sheng)理(li)工學院的(de)(de)(de)(de)研究人員現(xian)在已經嵌(qian)入了高速光電半導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)，包括發光二(er)極管（led）和二(er)極管光電探測器(qi)，這些光纖在南卡羅(luo)來(lai)(lai)納的(de)(de)(de)(de)Inman Mills公司(si)工廠里被編織成柔軟的(de)(de)(de)(de)、可洗的(de)(de)(de)(de)織物，并制成了通訊系統。這標志著達(da)成一項長(chang)期追求的(de)(de)(de)(de)目標——通過整合半導(dao)體(ti)設備——現(xian)代(dai)電子產(chan)品的(de)(de)(de)(de)關(guan)鍵(jian)原料——來(lai)(lai)創造(zao)“智(zhi)能(neng)”面料。迄今為止，半導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)正是(shi)制造(zao)具有復(fu)雜功能(neng)的(de)(de)(de)(de)織物的(de)(de)(de)(de)缺失部分(fen)。

 

研究人員(yuan)說(shuo)，這一發(fa)現可以(yi)為纖(xian)維(wei)釋(shi)放(fang)一種(zhong)新的“摩(mo)爾定(ding)律(lv)”——換句話說(shuo)，隨(sui)著芯片能(neng)力的發(fa)展，纖(xian)維(wei)的能(neng)力將隨(sui)著時間(jian)的推移而呈指(zhi)數(shu)增長(chang)，這是一種(zhong)快速(su)發(fa)展的過(guo)程。

 

這(zhe)一發現發表在本周的(de)(de)自(zi)然(ran)雜志(zhi)上(shang)，作(zuo)者是麻省理(li)工學(xue)(xue)院(yuan)的(de)(de)研(yan)究(jiu)生Michael Rein，及麻省理(li)工學(xue)(xue)院(yuan)、AFFOA、Inman Mills、瑞(rui)士(shi)洛(luo)桑的(de)(de)EPFL和林肯實驗室(shi)的(de)(de)合作(zuo)團隊。他的(de)(de)研(yan)究(jiu)顧(gu)問Yoel Fink正(zheng)是麻省理(li)工學(xue)(xue)院(yuan)材(cai)料科學(xue)(xue)與電氣工程(cheng)教(jiao)授、AFFOA的(de)(de)首席執行官。

 

一(yi)組使(shi)用新工藝制作的(de)細(xi)軟纖(xian)維顯(xian)示，嵌入式led燈會打開(kai)或關閉，以顯(xian)示它們的(de)功能。該團(tuan)隊使(shi)用了類似的(de)纖(xian)維來將音樂傳輸到檢測器纖(xian)維上，即使(shi)在水下(xia)也能工作。（圖片：由(you)研(yan)究人員提供）

 

傳統(tong)上，光纖是由(you)一(yi)(yi)種叫做“預成型”的(de)圓柱形物體(ti)產生(sheng)的(de)，它本質上是一(yi)(yi)種被(bei)(bei)放大的(de)纖維(wei)模型，然后(hou)加熱(re)它。軟(ruan)化的(de)材(cai)料在張力下(xia)被(bei)(bei)拉伸，由(you)此產生(sheng)的(de)纖維(wei)被(bei)(bei)收集(ji)在卷軸上。

 

生(sheng)產這(zhe)些新纖維(wei)的(de)(de)關(guan)鍵突(tu)破在于，將一(yi)(yi)(yi)粒沙(sha)子大小(xiao)的(de)(de)發光(guang)半導體二(er)(er)極管加到一(yi)(yi)(yi)起，而一(yi)(yi)(yi)對(dui)銅(tong)線則是頭發寬(kuan)度的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)小(xiao)部分(fen)。在纖維(wei)拉伸過(guo)程中(zhong)，當在熔爐中(zhong)加熱時，聚(ju)合物預先形(xing)成(cheng)部分(fen)液化(hua)，成(cheng)形(xing)為一(yi)(yi)(yi)種長纖維(wei)，二(er)(er)極管沿著中(zhong)心排(pai)列，并由銅(tong)線連接。

 

在(zai)這種情況(kuang)下，固體成分是兩種使用(yong)標準微芯片技術(shu)制造的電子(zi)二(er)(er)極管：發(fa)光二(er)(er)極管（LEDs）和光敏二(er)(er)極管。Rein說：“在(zai)繪圖(tu)過(guo)程中，設(she)備和電線都(dou)保持著(zhu)它(ta)們的尺(chi)寸，而周圍的一切都(dou)在(zai)收縮(suo)。”然后(hou)，纖(xian)維(wei)(wei)被(bei)織入織物中，這些纖(xian)維(wei)(wei)被(bei)洗了10次，以證(zheng)明(ming)它(ta)們的實用(yong)性(xing)是衣服的可能(neng)材料。

 

“這種方法增加了對纖維制(zhi)造(zao)過(guo)(guo)程的(de)新認識，” Rein說，他是該論文的(de)主(zhu)要(yao)作者(zhe)，并提出了導(dao)致新過(guo)(guo)程的(de)概念。“我們不是把所有(you)的(de)材(cai)料都放在一(yi)個液體狀態下，而(er)是用微(wei)粒和細(xi)(xi)金屬絲(si)混合在一(yi)起。”

 

將(jiang)功能整合到纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)材(cai)料本身(shen)的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)個(ge)好處(chu)是，由此(ci)產生的(de)(de)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)本身(shen)是防水的(de)(de)。為了(le)證明(ming)這一(yi)(yi)(yi)點，研究小(xiao)組在一(yi)(yi)(yi)個(ge)魚(yu)缸里放(fang)置了(le)一(yi)(yi)(yi)些(xie)(xie)光探測纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)。水族館外的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)盞燈通(tong)過水將(jiang)音樂(le)（適(shi)當地稱為漢德爾的(de)(de)“水音樂(le)”）通(tong)過快速的(de)(de)光學信號的(de)(de)形式傳輸到纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)上。魚(yu)缸中的(de)(de)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)轉換(huan)了(le)光脈沖——如(ru)此(ci)之快以至(zhi)于光在肉眼(yan)看起來是穩定(ding)的(de)(de)——電子信號，然后被轉換(huan)成音樂(le)。這些(xie)(xie)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)在水中存活了(le)好幾個(ge)星(xing)期(qi)。

 

盡管這(zhe)一(yi)原理聽起(qi)來(lai)很(hen)簡(jian)單，但要(yao)使(shi)(shi)它(ta)始終如一(yi)地(di)工(gong)作，并(bing)確(que)保纖維(wei)能夠可靠(kao)(kao)、批(pi)量(liang)地(di)制造，這(zhe)是一(yi)個漫長而艱難的過程。由Jason Cox和Chia-Chun Chung領(ling)導的AFFOA的工(gong)作人員開發(fa)(fa)了提高產量(liang)、產能和整(zheng)體可靠(kao)(kao)性的途徑(jing)，使(shi)(shi)這(zhe)些(xie)(xie)纖維(wei)能夠過渡到(dao)工(gong)業。與(yu)此同時(shi)，來(lai)自Inman Mills的Marty Ellis開發(fa)(fa)了一(yi)種技術(shu)，用傳統的工(gong)業制造規模化織(zhi)(zhi)機(ji)將這(zhe)些(xie)(xie)纖維(wei)編織(zhi)(zhi)成織(zhi)(zhi)物。

 

“這篇論文描述(shu)了將半導體器件(jian)整(zheng)合到纖維(wei)中的(de)可擴(kuo)展路徑。我們(men)預計(ji)未來幾年將出(chu)現(xian)一種類似(si)于纖維(wei)的(de)摩爾(er)定律。”Fink表示(shi)：“它已經允許我們(men)擴(kuo)展纖維(wei)織物的(de)基(ji)本功能(neng)，以涵蓋通訊、照明(ming)、生理監測等。”在未來的(de)幾年里，纖維(wei)織物將提供(gong)增(zeng)值服務，不再僅(jin)僅(jin)是為(wei)了美觀和舒適而選(xuan)擇。”

 

他說(shuo)，第(di)(di)一(yi)(yi)批包含這項(xiang)技術的(de)(de)商業產品(pin)最早(zao)將于(yu)(yu)明(ming)年進(jin)入市場(chang)——從(cong)實(shi)驗室研(yan)究到(dao)商業化，這是一(yi)(yi)個(ge)非常短的(de)(de)過程(cheng)。他說(shuo)，這種快速的(de)(de)從(cong)實(shi)驗室到(dao)市場(chang)的(de)(de)發展是創(chuang)建像AFFOA這樣的(de)(de)學術-行(xing)業-政(zheng)府合作組織的(de)(de)一(yi)(yi)個(ge)關鍵部分(fen)。這些最初的(de)(de)應(ying)用將是涉(she)及通信和安全的(de)(de)專門產品(pin)。“這將是第(di)(di)一(yi)(yi)個(ge)織物通訊系統(tong)。我們現在正處于(yu)(yu)將技術向國內制造商和工業轉移的(de)(de)過程(cheng)中(zhong)，以前所未有(you)的(de)(de)速度和規模。”他說(shuo)。

 

Fink說，除了(le)商業(ye)應(ying)用之外，美國國防(fang)部——AFFOA的(de)主(zhu)要(yao)支(zhi)持者之一——“正在探(tan)索這些想法的(de)應(ying)用給我們的(de)男女軍人制服。”

研究(jiu)人(ren)員說，除(chu)了通訊之外，這些纖維可(ke)能(neng)在生物醫學領域有重要的(de)(de)應(ying)用(yong)。例如，使用(yong)這種纖維的(de)(de)設備可(ke)能(neng)被用(yong)來(lai)制作一個(ge)腕帶，可(ke)以測量脈(mo)搏或(huo)血氧水(shui)平(ping)，或(huo)者被編(bian)織成繃(beng)帶，持續(xu)監測治(zhi)療過程。

 

這項研(yan)究(jiu)部分是(shi)由麻省理工(gong)(gong)(gong)學(xue)院材料(liao)研(yan)究(jiu)科學(xue)與工(gong)(gong)(gong)程(cheng)中心(xin)（MRSEC）通過美(mei)國(guo)(guo)國(guo)(guo)家科學(xue)基金會的(de)MRSEC項目來支持的(de)，由美(mei)國(guo)(guo)陸軍研(yan)究(jiu)實驗室和美(mei)國(guo)(guo)陸軍研(yan)究(jiu)辦公室通過美(mei)國(guo)(guo)士兵納米技術研(yan)究(jiu)所提供(gong)的(de)。這項工(gong)(gong)(gong)作也得到(dao)了負責(ze)研(yan)究(jiu)和工(gong)(gong)(gong)程(cheng)的(de)國(guo)(guo)防(fang)部助理部長的(de)支持。