能“穿”的高科技——织物电子知多少？

 

　　香港理工大学纺织科技讲座教授、智能穿戴系统研究院院长。在她的领导下，香港理工大学纺织服装系成为世界一流的时尚与纺织教研中心之一。她在智能纤维材料、光子纤维和织物、基于纤维的电子和光子设备、可穿戴技术、纱线制造和纺织复合材料等领域做出了一系列国际领先的研究工作。

 

　　织物电子学的研究对象是具有产生、传输、调制或测量等电子功能的纤维或纤维集合体。织物电子系统通常由织物电子器件和微电子器件混合互补集成而成。它们作为可穿戴系统的一个重要分支，可为人类提供多种功能,如感知、驱动、自适应、交流、自我修复、记忆、学习等，而不影响系统本身的服用性。香港理工大学陶肖明教授课题组在《科学通报》“香山科学会议”专栏发表评述文章“织物电子器件及系统的发展现状、科学问题、核心技术和应用展望”，阐述了不同类别织物电子器件的发展现状，提出了一些关键科学问题，并结合在研发及实施工程化产业化过程中的切身体会，介绍了织物电子器件和系统方面的核心技术及其应用前景。

 

　　丰富的织物电子器件

 

　　柔性传感器：除具有传感特性外，织物传感器还具有织物柔软、耐用、生物相容和轻便的特性。根据外在的刺激种类，可分为应变传感器、界面力传感器、温度传感器、生物电极、气体传感器、液体传感器等。

 

　　柔性执行器：柔性执行器在柔性机器人、智能感应、医学辅助治疗、能量收集和转换等领域得到广泛应用。与刚性的传统执行器相比，挠性/柔性形状促动器具有高柔韧性、质轻和高安全性的优点，能够通过机织缝纫或直接涂覆功能材料在织物上等技术集成织物执行器。

 

　　织物显示器：近年来，有机电致发光装置如有机发光二极管(OLED)和聚合物发光电化学电池(PLEC)蓬勃发展。无机发光二极管可直接与织物相连，令可穿戴的纺织品显示器成为可能。

　　(a)弯曲状态下的发光装置;(b)OLED的结构示意图;(c)纤维型PLEC的结构示意图;(d)由发光纤维织成的服装。

 

　　织物天线：柔软的纺织品作为介质基板加入导电纱线，可以戴在人体上，具有薄、轻便、坚固的特性，以及易于集成到柔性电路中等特点。

 

　　产能和储能器：织物发电机系统可以根据热电、光电、压电、摩擦发电，以及它们之间的杂化等机理收集人类活动和周边环境中的能量。

 

　　除上述柔性器件外，织物电子系统还必须包括信号调制模块、计算器、存储和无线通讯模块等微电子器件。

 

　　广泛的应用前景

 

　　医疗健康：织物电子将电子器件或功能嵌入到传统纺织品中，有望打破传统医疗行业在地域和时间方面的限制，舒缓医疗行业的压力。织物电子柔性测量技术可监测人体生理参数，如心电、脑电、运动特征等，从而判断人体当前的生理状态，并建立数学模型，对跌倒、损伤、突发性疾病或其他高风险状态提供监测或预警。除了远程监测，远程治疗也成为织物电子的一大发展趋势。根据远程监测数据或反馈，可以远程控制织物电子器件进行远程治疗，如物理治疗、中医按摩等。因其具有类衣物的贴合性和随身性，织物电子系统可以将部分治疗融入日常生活中，提供更贴合生活环境的监测和治疗，增加其疗效，尤其是在心理治疗方面。

 

　　运动监测和辅助训练：智能运动服装可以获取人体和周边环境的信息，建立更进一步的保护机制，如避免因过度运动和不当运动造成的损伤。这些智能设备也可以应用到运动员的日常训练中。例如，Tao研究组在其开发的织物应变传感器基础上开发了一套无线、柔性可穿戴的上臂原位测量系统。该系统通过监测上臂围度变化和变化率等建立了其与肌肉收缩/放松的定量关系，有望用于举重运动员的日常力量训练。

 

　　智能防护：智能织物电子系统能接收环境和使用者的生理信息并对其进行分析和判断，获得使用者自身的健康状况和所处环境的风险。嵌入不同的电子系统可使其具备不同的防护功能。例如，嵌入气体传感器可以检测环境中的有毒害物质，预防化学危害;嵌入定位传感器可检测服用者的地理位置;嵌入温湿度传感器可以检测环境中的温度湿度等。当发现高风险情况，可以及时对用户提供预警信号或启动保护方案。在意外情况发生后，织物电子系统还能根据环境和人体生理状态发出求救信号和定位信号，甚至还能提供适当的保护措施，避免多次伤害。

 

　　增强现实/虚拟现实：互动式织物电子器件具备优异的性能和独特的特点，如质轻、灵活、可大变形等，能为增强现实(VR)/虚拟现实(AR)应用提供更贴身、更舒适的用户体验。另外，运动跟踪和姿势识别是织物增强/虚拟现实设备的常用功能。织物电子器件和系统的优异生物相容性，使得其在与人体接触方面存在天然优势。Shu将柔性织物压力传感器集成到织物鞋垫开发了一套智能可穿戴系统，可测量足底压力分布和分析使用者步态。同时，该鞋垫与普通鞋垫相似，使用者不会产生存有异物感或不适感。Choi等人将一种纤维基压力传感器编织在手套中，形成一双智能织物手套作为可穿戴的虚拟控制器。Lee等人提出利用织物电子(可穿戴式散热器)进行微气候控制，以增强可穿戴VR/AR系统的沉浸感，该可穿戴式散热器与运动跟踪手套相结合展示了在虚拟环境中用户可以模拟触摸不同温度的物体，比如冰冷的啤酒瓶、软饮料瓶、一杯温暖的绿茶或热咖啡。此外，人体表面生物电位信号，包括心电图、眼电、脑电图和肌电图，也被作为VR/AR系统的输入端来研究。目前，虽然VR/AR系统还不能完全由织物电子构成，但更柔软舒适的织物电子器件已显示了为用户提供更友好的沉浸式VR/AR体验的巨大潜力。

　　(c)用于步态分析的织物系统界面;(d)用于虚拟现实控制的智能手套

　　控制微气候的织物及其在虚拟现实中的应用

 

　　科学问题与核心技术

 

　　织物电子系统与传统的微电子系统或电子系统在材料、结构、集成等方面存在巨大的差异。同时，对织物电子在生物相容性、水洗性、舒适性方面也提出更高的要求。围绕可靠性、交叉兼容性和标准，在设备适用性、材料可用性和成本等方面限制了现在大部分电子产品的商业化。此外，织物电子器件和系统具有多尺度(从小纤维到三维大面积结构)、系统集成的多物理场、复杂多变的应用环境等特点，使得织物电子器件或系统研发的综合分析变得更为困难。目前，织物电子器件和系统在研发过程中存在的一些亟须探索和解决的科学问题，包括:

 

　　建立柔性功能材料和结构的测量和表征系统

 

　　建立适用于织物电子器件的机理和数学模型

 

　　建立织物电子器件的多物理场耦合效应分析及其对性能的影响

 

　　建立织物电子器件和系统的评价系统

 

　　织物电子的生物、信息安全问题

　　(a)热牵拉多功能不同组分的纤维示意图。(b)CNT涂覆的棉织物和镍涂覆的涤纶织物构成的压力传感器示意图。(c)该压力传感器的实物照。(d)rGO涂覆的棉纱。(e)用rGO涂覆的棉纱通过针织工艺织造出的温度传感器。(f)Bi2Te3和Sb2Te3薄片被嵌入到玻璃纤维机织物中构成的柔性热电器件

 

　　与这些科学问题相对应的功能材料和制备工艺、织物器件的结构和功能理论及表征方法、纺织器件和电子器件的异质集成设备和工艺、纺织电子器件及系统的工程设计软件、特种光纤器件、光电器件、系统微型化、纺织电子器件及系统质量保证体系成为了织物电子发展的核心技术。

　　(a)机织电路板及传感器连接;(b)针织电路板和传感器连接;(c)刺绣电路和LED连接;(d)织物和芯片的焊接失效模式;(e)机械加持连接;(f)铜线连接芯片，封装后的芯片和铜线包缠到纱线里

 

　　展望

 

　　现有织物电子器件性能有待提高，如传感性能、可靠性、鲁棒性及寿命一般比刚性微电子器件较差，需要针对织物的优势研发柔性执行器等新型织物器件；应促进光电传感器件和系统的微小化集成，对织物电子异质混合系统集成的研究需要加强；增加对设备、工艺和质检系统的研究，提高织物电子产品生产的一致性，逐步建立标准；应充分重视织物电子系统的应用场景研究，包括跨学科的应用场景研究，如健康医疗、人工智能、智能防护、运动监测、虚拟现实和增强现实等，大力推进织物电子的应用。能否成功应用决定了织物电子技术是否能成为主流科技，对该领域的长远发展极为重要