來自麻省理工學院和AFFOA的研究人員第一次生產了帶有嵌入式電子設備的纖維，這些纖維非常靈活，可以織入柔軟的織物中，制成可穿戴的衣服。

（圖片：由研究人員提供）

 

 

研究人員將光電二極管集成到纖維中，并將其編織成可洗的織物。

紡織品和纖維的最新發(fā)展是一種你可以穿的軟硬件：有電子設備的布料直接內置在里面。

 

麻省理工學院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)嵌入了高速光電半導體器件，包括發(fā)光二極管（led）和二極管光電探測器，這些光纖在南卡羅來納的Inman Mills公司工廠里被編織成柔軟的、可洗的織物，并制成了通訊系統(tǒng)。這標志著達成一項長期追求的目標——通過整合半導體設備——現(xiàn)代電子產品的關鍵原料——來創(chuàng)造“智能”面料。迄今為止，半導體器件正是制造具有復雜功能的織物的缺失部分。

 

研究人員說，這一發(fā)現(xiàn)可以為纖維釋放一種新的“摩爾定律”——換句話說，隨著芯片能力的發(fā)展，纖維的能力將隨著時間的推移而呈指數(shù)增長，這是一種快速發(fā)展的過程。

 

這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在本周的自然雜志上，作者是麻省理工學院的研究生Michael Rein，及麻省理工學院、AFFOA、Inman Mills、瑞士洛桑的EPFL和林肯實驗室的合作團隊。他的研究顧問Yoel Fink正是麻省理工學院材料科學與電氣工程教授、AFFOA的首席執(zhí)行官。

 

一組使用新工藝制作的細軟纖維顯示，嵌入式led燈會打開或關閉，以顯示它們的功能。該團隊使用了類似的纖維來將音樂傳輸?shù)綑z測器纖維上，即使在水下也能工作。（圖片：由研究人員提供）

 

傳統(tǒng)上，光纖是由一種叫做“預成型”的圓柱形物體產生的，它本質上是一種被放大的纖維模型，然后加熱它。軟化的材料在張力下被拉伸，由此產生的纖維被收集在卷軸上。

 

生產這些新纖維的關鍵突破在于，將一粒沙子大小的發(fā)光半導體二極管加到一起，而一對銅線則是頭發(fā)寬度的一小部分。在纖維拉伸過程中，當在熔爐中加熱時，聚合物預先形成部分液化，成形為一種長纖維，二極管沿著中心排列，并由銅線連接。

 

在這種情況下，固體成分是兩種使用標準微芯片技術制造的電子二極管：發(fā)光二極管（LEDs）和光敏二極管。Rein說：“在繪圖過程中，設備和電線都保持著它們的尺寸，而周圍的一切都在收縮。”然后，纖維被織入織物中，這些纖維被洗了10次，以證明它們的實用性是衣服的可能材料。

 

“這種方法增加了對纖維制造過程的新認識，” Rein說，他是該論文的主要作者，并提出了導致新過程的概念。“我們不是把所有的材料都放在一個液體狀態(tài)下，而是用微粒和細金屬絲混合在一起。”

 

將功能整合到纖維材料本身的一個好處是，由此產生的纖維本身是防水的。為了證明這一點，研究小組在一個魚缸里放置了一些光探測纖維。水族館外的一盞燈通過水將音樂（適當?shù)胤Q為漢德爾的“水音樂”）通過快速的光學信號的形式傳輸?shù)嚼w維上。魚缸中的纖維轉換了光脈沖——如此之快以至于光在肉眼看起來是穩(wěn)定的——電子信號，然后被轉換成音樂。這些纖維在水中存活了好幾個星期。

 

盡管這一原理聽起來很簡單，但要使它始終如一地工作，并確保纖維能夠可靠、批量地制造，這是一個漫長而艱難的過程。由Jason Cox和Chia-Chun Chung領導的AFFOA的工作人員開發(fā)了提高產量、產能和整體可靠性的途徑，使這些纖維能夠過渡到工業(yè)。與此同時，來自Inman Mills的Marty Ellis開發(fā)了一種技術，用傳統(tǒng)的工業(yè)制造規(guī)模化織機將這些纖維編織成織物。

 

“這篇論文描述了將半導體器件整合到纖維中的可擴展路徑。我們預計未來幾年將出現(xiàn)一種類似于纖維的摩爾定律。”Fink表示：“它已經(jīng)允許我們擴展纖維織物的基本功能，以涵蓋通訊、照明、生理監(jiān)測等。”在未來的幾年里，纖維織物將提供增值服務，不再僅僅是為了美觀和舒適而選擇。”

 

他說，第一批包含這項技術的商業(yè)產品最早將于明年進入市場——從實驗室研究到商業(yè)化，這是一個非常短的過程。他說，這種快速的從實驗室到市場的發(fā)展是創(chuàng)建像AFFOA這樣的學術-行業(yè)-政府合作組織的一個關鍵部分。這些最初的應用將是涉及通信和安全的專門產品。“這將是第一個織物通訊系統(tǒng)。我們現(xiàn)在正處于將技術向國內制造商和工業(yè)轉移的過程中，以前所未有的速度和規(guī)模。”他說。

 

Fink說，除了商業(yè)應用之外，美國國防部——AFFOA的主要支持者之一——“正在探索這些想法的應用給我們的男女軍人制服。”

研究人員說，除了通訊之外，這些纖維可能在生物醫(yī)學領域有重要的應用。例如，使用這種纖維的設備可能被用來制作一個腕帶，可以測量脈搏或血氧水平，或者被編織成繃帶，持續(xù)監(jiān)測治療過程。

 

這項研究部分是由麻省理工學院材料研究科學與工程中心（MRSEC）通過美國國家科學基金會的MRSEC項目來支持的，由美國陸軍研究實驗室和美國陸軍研究辦公室通過美國士兵納米技術研究所提供的。這項工作也得到了負責研究和工程的國防部助理部長的支持。