东华大学科研团队在智能穿戴领域取得重要突破——
不插电就能发光发电的纤维研制成功
◎高 坤 本报记者 王 春
你见过穿上身就能发光发电的纤维吗?关于智能可穿戴设备,你期待它们能带来哪些神奇的功能?
4月5日,东华大学材料科学与工程学院先进功能材料课题组,在《科学》上发表了一项令人瞩目的研究成果。
该研究提出了基于"人体耦合"的能量交互机制,并成功研发出集无线能量采集、信息感知与传输等功能于一体的新型智能纤维。用这种纤维编织制成的智能纺织品,无需依赖芯片和电池便可实现发光显示、触控等人机交互功能。
这一突破性成果,为人与环境的智能交互开辟了新可能,具有广泛应用前景。
智能可穿戴设备正逐渐成为人们生活的一部分。目前,智能纤维的开发多基于"冯·诺依曼架构",这意味着智能纺织品仍依赖于芯片和电池。这使产品的体积、重量和刚性大,难以同时满足人们对纺织品功能性和舒适性的需求。
东华大学科研团队开创性地提出了"非冯·诺伊曼架构"的新型智能纤维,有效地简化了可穿戴设备和智能纺织品的硬件结构,优化了其可穿戴性。
该研究实现了将能量采集、信息感知、信号传输等功能集成于单根纤维中,并通过编织制成不依赖芯片和电池的智能纺织品。
"不插电"就能发光发电的纤维,到底有什么奥妙?在日常生活中,散布在环境中的电磁能量又是如何"传递"到纤维上的?
该研究提出把人体作为能量交互的载体,开辟了一条便捷的能量"通道"。原本在大气中耗散的电磁能量优先进入纤维、人体、大地组成的回路,恰恰就是这一"日用而不觉"的原理,促成了"人体耦合"的新型能量交互机制。
在添加特定功能材料后,仅仅经过人体触碰,这种新型纤维就会展现发光发电的"神奇一幕"。
"这款新型纤维具有三层鞘芯结构,所采用的均是市面上比较常见的原材料。芯层为感应交变电磁场的纤维天线(镀银尼龙纤维)、中间层为提高电磁能量耦合容量的介电层、外层为电场敏感的发光层。原材料成本低,纤维和织物的加工都能够用成熟的工艺实现,已具备量产能力。"论文第一作者、东华大学材料科学与工程学院博士研究生杨伟峰说。
该研究还展示了这种基于人体耦合原理的智能纤维的几种应用:在不使用芯片和电池的情况下,实现了纤维触控发光、织物显示以及无线指令传输等功能。
东华大学纤维材料改性国家重点实验室研究员侯成义介绍:"这种新型纤维能够运用到服装服饰、布艺装饰等日用纺织品中。当与人体接触时,它会通过发光进行可视化的传感、交互甚至高亮照明,同时还能对人体的不同姿态动作产生无线信号,进而对智能家电等电子产品进行无线遥控。这些新颖的功能有望拓展电子产品的应用场景,甚至改变人们智慧生活的方式。"
课题组组长王宏志教授表示,未来将深入研究如何让这种新型纤维能够更有效地从空间中收集能量,并以此驱动更多功能,包括显示、变形、运算、人工智能等。
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