随着可穿戴技术的迅速发展，人们对将电子技术与纺织品相结合的研究引起了科学家的广泛关注。这是因为将电子功能集成到纤维和纺织品中，从而赋予服装新的智能功能和交互性。然而，传统的基于冯·诺伊曼架构的电子系统在纺织品中的无缝集成面临着一系列挑战，包括能量效率、穿着舒适性和清洗性等方面的限制。
为了使得纺织电子能够满足人类现实生活的需求：无需电池、无需芯片、可清洗、可编织。因此，科学家们开始探索一种非冯·诺伊曼架构的纤维电子系统，旨在将电子组件整合到单根纤维中，并使之具备无线传输、传感处理和反馈等功能，以成为电子纺织品的构建模块。然而，要将基于芯片的纺织系统的交互功能转换为无线和无芯片形式，面临着诸多技术难题。首先，在单根纤维中实现同时限制和辐射能量或电信号的交互是一个挑战，因为目前尚不存在能够动态切换振荡和限制电荷对的能量交互机制。其次，当前的信号调制原理依赖于复杂的模拟电路和大量的电子组件，难以集成到常用的软纤维中。
为了解决这些问题，东华大学材料科学与工程学院先进功能材料课题组王宏志教授、侯成义研究员和张青红教授携手提出了一种基于人体耦合能量交互机制的纤维电子技术。这项技术利用人体作为交互对象，通过耦合周围的电磁能量，在电子纤维和人体之间生成束缚电荷对，实现了无线传输和传感信号的发射。同时，还引入了电场敏感的发光介质，提供了人可读的反馈，从而将传感器和执行器统一到单个纤维上。以上成果在Science顶刊发题为“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”研究论文。这一成果不仅为智能纺织品的发展开辟了新的道路，也为人们提供了更加舒适、便捷和智能化的穿着体验。
作者通过比较传统基于芯片的电子纺织系统和他们提出的无芯片、无线交互式纺织系统，阐述了传统系统在柔性集成和舒适性方面存在的限制。具体来说，在图1A中，通过对比两种系统的结构和组件，指出了传统系统在与皮肤的合拢附着、多节点集成、以及清洗方面存在的困难。相比之下，图1B揭示了无芯片、无线交互式纺织系统的设计原理，即由无线接收器和无线发射器构成的i-纤维，具有天线核心、介电层和光学层等功能层。同时，人体作为另一极，通过接触形成界面接触电容，实现了与环境的交互。图1C和1D进一步展示了i-纤维在人体接触情况下的工作原理，通过人体耦合实现了电磁能量的收集和光信号的发射，从而实现了智能纺织系统的无线交互功能。
图1. 体耦合交互式光纤的设计和原理。
在图2中，作者通过实验验证了人体耦合环境电磁能量收集的机制。具体来说，图2A和2B描述了通过i-纤维收集各种环境电磁场的原理，以及人体耦合的交互式纤维电子系统的构造。图2C展示了等效电路模型，说明了纤维电子系统通过人体耦合实现了电磁能量的收集。实验结果显示，在不同频段下，通过人体耦合收集的电磁能量明显高于空气耦合。同时，随着距离的增加，能量收集效率逐渐降低，这进一步证明了人体耦合的有效性。图2D则展示了在办公环境中通过人体耦合和空气耦合的环境电磁波的功率谱，表明通过人体耦合的能量收集效率更高。此外，在不同介质中的实验结果（图2F）表明，纤维在水中具有更高的电磁能量收集能力，这为智能纺织系统在不同环境中的应用提供了可能性。最后，通过COMSOL模拟结果进一步验证了i-纤维在不同环境中的响应，进一步证实了人体耦合环境电磁能量收集的有效性。这些研究成果不仅为智能纺织领域的发展提供了新的思路和方法，还为未来智能纺织系统在舒适性、智能化和可穿戴性等方面的进一步优化和应用提供了重要参考。
图2. 通过体耦合交互式光纤收集环境电磁能量。
图3展示了通过单个i-纤维调制和传输无线光学和电信号的机制。他们首先描述了通过打破接触界面的限制电荷对的平衡，并引入快速变化的电位移场或磁场来无线传输瞬时触觉传感信号的机制。然后，他们呈现了i-纤维的等效电路模型，说明了在i-纤维中实现EM波辐射的LC振荡。接着，作者说明了通过调节i-纤维的高介电涂层厚度可以调节无线电信号的频率和幅度，以及光学信号的频率。最后，他们测量了无线光学和电信号随距离的衰减情况，并证明了i-纤维可以以全向方式传输无线光学和电信号。通过这些实验，作者深入探讨了无芯片交互式纺织系统的调制和传输机制，为可穿戴技术的发展提供了重要的理论和实验基础。
图3. 无线光信号和电信号的调制和传输。
下图4展示了连续制造、编织和川畑织物风格评估的过程。作者采用了逐层涂覆制造工艺，将高介电材料和荧光粉混合在树脂中，并涂覆在导电纤维表面，成功地实现了对i-纤维的连续制造（图4A）。这种制造过程的实现离不开对电子模块的摆脱，使得作者可以利用时尚产业的制造技术。实验结果显示，所制备的纤维具有优秀的柔软度、细度和断裂强度，使其能够通过数码缝纫机进行缝制和刺绣（图4B和C）。此外，作者还通过引入荧光染料成功地调节了纤维的固有色和发射色，使其呈现出不同的发光色彩（图4D和E）。在穿着舒适性方面，与传统的基于芯片的电子纺织品相比，作者的无芯片无线纺织品具有更好的透气性，符合皮肤微环境的舒适性要求（图4F和G）。此外，通过使用川畑织物风格评价系统，作者发现i-纤维的使用能够改善织物的弯曲、剪切和表面光滑性能（图4H）。最后，作者还进行了标准洗涤和后洗涤色牢度测试，结果显示经过25次标准洗涤后，纺织电子仍保持原始的外观和性能，证明了其良好的耐洗性能（图4I）。
图4. 连续制造、织造和 Kawabata 织物风格评估。
图5展示了无芯片纺织电子的多种应用场景。首先，作者展示了i-纤维在提供聋人辅助光学通信方面的潜在应用。通过一个644个独立像素的触摸板和相应数量的纺织显示垫，该系统可以实现舒适、连续、实时的信息传递，无需额外的电子组件或能量供应单元。其次，作者设计了一种集成无线发光图案和无芯片显示功能的服装，通过身体耦合动态纺织显示，可以实现几乎没有延迟的纺织显示系统。此外，作者利用身体耦合纤维电子技术开发了一种单纤维启用的交互式纺织品，实现了对虚拟游戏的实时控制。最后，作者展示了无线触觉地毯的潜在应用，该地毯可以通过与人体接触，激活纤维来可视化触摸区域并传输无线感知信号，从而控制室内电子设备。这些应用展示了无芯片纺织电子在辅助通信、虚拟互动、智能家居等多个领域的潜在应用，具有重要的实用性和创新性。
图5. 无芯片纺织电子产品的应用。
【科学启迪】
本文开发了一种创新的纤维电子技术，利用人体与环境中的电磁能量进行交互，实现了无需芯片的无线传感、显示和逻辑交互功能。这一技术突破了传统电子组件的限制，使得电子装置可以以柔性纤维的形式集成到智能服装中，为可穿戴技术领域带来了重大的突破。通过深入探讨电磁能量的收集和交互信号的传输机制，本研究不仅提供了理论基础，还为未来纤维电子的设计和制造提供了新思路。此外，文章还展示了该技术在辅助通信、智能家居和虚拟现实等领域的广泛应用，为社会生活和科技进步带来了巨大的潜力。这一创新性技术的发展不仅将推动可穿戴电子产品的发展，还将促进智能化生活方式的普及，对于未来智能化社会的建设具有重要意义。
参考文献：
Weifeng Yang et al. ,Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics.Science384,74-81(2024).DOI:10.1126/science.adk3755
