穿上身的发光发电纤维还可以“不插电”？《科学》发表这项成果

你见过穿上身就能发光发电的纤维吗？智能可穿戴设备能实现哪些功能？

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Science上发表了题为“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”的研究论文。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，由其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。

东华大学材料科学与工程学院博士研究生杨伟峰为论文第一作者，纤维材料改性国家重点实验室王宏志教授、侯成义研究员，以及东华大学材料科学与工程学院张青红研究员为论文通讯作者。

随着科技不断发展，智能可穿戴设备正逐渐成为我们生活的一部分，并在健康监测、远程医疗和人机交互等领域发挥着越来越重要的作用。相较于传统刚性半导体元件或柔性薄膜器件等，由智能纤维编织而成的电子纺织品具有更好的透气性和柔软度，被视为理想的可穿戴设备载体。

目前，智能纤维的开发多基于“冯·诺依曼架构”，即以硅基芯片作为信息处理核心开发各种电子纤维功能模块，如信号采集的传感纤维、信号传输的导电纤维、信息显示的发光纤维、能量供应的发电纤维等。尽管这些功能单元可组合制成织物形态，但这种复杂的多模块集成技术还面临着一系列挑战。现阶段的智能纺织品仍依赖于芯片和电池，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。

“人体耦合”智能纤维的工作机制及其与传统电子织物的对比。

在这项研究中，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，优化了它们的可穿戴性。该工作实现了将能量采集、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，到底有怎样的奥妙呢？在我们的日常生活中，电磁场和电磁波无处不在，散布在环境中的这些电磁能量就是这种新型纤维的无线驱动力。这项科创成果提出，把人体作为能量交互的载体，这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，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以后，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”。

人体耦合电磁能量收集示意图。

“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、中间层为提高电磁能量耦合容量的介电层(BaTiO3 复合树脂)、外层为电场敏感的发光层(ZnS复合树脂)。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。”杨伟峰说。

触控发光纤维与织物演示。

该工作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。侯成义表示:“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,当它们与人体接触时，通过发光进行可视化的传感、交互甚至高亮照明，同时它们还能对人体不同姿态动作产生独特的无线信号，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。”

课题组组长王宏志介绍，下一阶段，科研团队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。“相信在不久的未来，智能服装能做更多事，人会变得更加强大，对于环境也会有更好的适应性。”他说。

该研究工作由东华大学作为唯一通讯单位主导完成，合作单位包括新加坡国立大学与安徽农业大学。