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把电脑织进衣服里?MIT团队研发新型“可编程纤维”

时间: 2021年06月15日 | 作者: 武大可 | 来源: 科研圈
一项新研究距离把一台完整的电脑“织”进布料仅有一步之遥。



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图片来源:Pixabay


撰文 武大可

编辑 魏潇


纤维是人类最早开始运用的材料形式之一,我们的衣食住行都与它密切相关。早在 5000 年前的新石器时代良渚文化时期,我们的祖先就已在使用蚕丝等材料制造纺织品。如今,在化工技术和半导体技术等先进科技的帮助下,我们已能根据需要制造出具有不同机械特性、热力学特性、光学特性甚至更复杂性能的功能性纤维。


近几年,微电子技术和聚合物技术的发展让这些科学家和工程师产生了新的愿景:能否将电子元件和柔性纤维整合,让人们把电脑做成“衣服”穿在身上呢?最近,美国麻省理工学院(MIT)教授 Yoel Fink 的研究团队距离把一台完整的电脑“织”进布料仅有一步之遥:他们成功地将微型芯片嵌入到了单根纤维之中[2]。



让电脑“可穿”


实际上,在过去数年间,科学家已经能够让柔性纤维拥有储能、传感、信息存储和显示等功能,组成一台计算机所需的外部设备基本备齐。


2017 年,复旦大学彭慧胜教授率先提出并实现了纤维状的聚合物电池[3]。这项研究使用锂化的硅/碳纳米管混合纤维设计了一种同轴结构作为内部负极,聚合物凝胶作为电解液,碳纳米管栅作为外部正极,制成了一种超柔性硅-氧电池,它不仅能量密度较高,还具有超过充放电 20,000 次的超长寿命。这让织物本身就能成为电力来源,解决了了供电问题。


在之后几年,彭慧胜团队陆续开发了包括了纤维状锂离子电池、纤维状钙钛矿太阳能电池等诸多种类的发电储能纤维材料,能够适配不同的应用场景,在纤维传感等其他相近领域也进行了探索。


有了电力基础,传感器的信息捕获能力便可发挥,而信息输出组件也是完整电子设备系统不可或缺的部分。具有显示功能的织物是应用领域的重点之一。过去的柔性显示技术即使能够卷曲,也多无法达到织物的柔软程度。如何构建柔软而可程序化控制的发光结构是一大难题。2021 年 3 月,彭慧胜率领的研究团队在《自然》(Nature)发文[5],展示了一种新研制的大面积“智能显示布”。


这一智能显示布由两种不同的功能纤维作为经线和纬线织成[6],负载有发光活性材料的高分子复合纤维是经线,导电的透明高分子凝胶纤维是纬线。只需施加交流电压,经纬交接点上的发光活性层就会被电场激发,成为发光的像素点。通过物理搭接形成的像素点即使在纤维滑移、旋转或弯曲的情况下仍能保持位置和亮度的稳定。


彭慧胜团队在新型纤维状电子器件领域连续不断的创新突破令全球为之瞩目,而这一领域的研发并非来自仅此一家。具有各种特性和功能的电子纤维得到了国际学术界和工业界的广泛关注。《先进材料学》(Advanced Materials)曾邀请彭慧胜任客座编辑,于 2020 年 2 月出版了一期纤维电子学特刊《纤维基智能电子材料》(Fiber-Based Materials for Smart Electronics)[4],发表了众多有关纤维电池、纤维传感器等结构和其设计制造工艺的研究成果。



寻找计算核心


尽管新的功能性纤维不断被创造出来,从储能、发电到传感、显示,各种功能不一而足,但距离实现独立完整、真正可穿戴的设备,还缺少一项核心功能——计算。就如同一台电脑必须拥有CPU,可穿戴设备也需要拥有具备信息处理能力的“大脑”来统筹组件的运行。Fink 团队的新研究不但开发了将数字计算系统嵌入纤维的技术,还展示了使用这一框架实现神经网络功能的潜力。


在这项最新研究中,团队使用热拉伸技术,将 4 根直径 25 微米的钨丝组成的微米级芯片嵌入预制聚合物纤维,制成长度可达数十米的可弯折、抗拉伸纤维。这一技术能够保持纤维内微芯片稳固连接,并且能够令其在穿过针眼、织入衣物时不损坏,纤维本身也足够细软,不会引起穿着时的不适。


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含有微芯片的纤维。图片来源:论文


嵌入纤维的每一个芯片都具有唯一的数字地址,系统可通过简单的逻辑电路进行数字寻址,根据输入信号激活对应芯片的功能。研究团队在芯片中设计的不只是逻辑电路,还包含了存储单元。研究者演示了成品的存储功能,向其中写入了 747 KB 的彩色短片和 0.45 MB 的音乐文件,这些文件能够在断电的情况下保存两个月。


由于嵌入的芯片可以根据需求设计,这样的结构理论上可以完成任何简单逻辑电路所能执行的任务。研究团队制造了一组包含 1650 个芯片的纤维,并将其缝入了衬衫的腋下。这些芯片连接形成了一个神经网络,可以分析温度的时序信息,判定穿着者正在进行的活动类型。根据论文中给出的结果,这一训练完成的神经网络对穿戴者活动类型的判断准确率达到了 96.4%。


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织入衣物的神经网络可对感知的温度进行时序分析,判断穿戴者的活动类型。来源:论文


研究者认为,含有功能性纤维的织物能够从全身收集大量信息,而大量数据的最佳分析方式是机器学习算法,而这正是这项研究创造的“可编程”纤维的专长。未来,基于传感纤维和神经网络纤维的穿戴设备将能够感知并实时提醒人们的身体状况变化,并为呼吸衰退或心率不齐等症状的病人以及训练期间的运动员提供数据支持。


这一纤维结构虽然已包含了处理单元,但暂时仍通过一个小型外部控制设备进行指令输入和数据输出以供研究测试需要。研究者表示,下一步将把这一外部控制单元也设计为微米级芯片,置于纤维内部,“等到那一天,我们就可以叫它纤维计算机了。”



参考资料:

[1]https://www.rle.mit.edu/pbg/Documents/nmat1889paper.pdf

[2]https://news.mit.edu/2021/programmable-fiber-0603

[3]An Ultra-flexible Silicon–Oxygen Battery Fiber with High Energy Density (Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI:10.1002/anie.201707840)

[4]https://onlinelibrary.wiley.com/toc/15214095/2020/32/5

[5]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8

[6]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_11643728