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我們每天的生活越來(lái)越離不開電腦、手機(jī)等電子終端設(shè)備。隨著下一代移動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)、智能大健康等新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)發(fā)展,新型穿戴式電子終端已成為未來(lái)技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)。

然而,傳統(tǒng)電子器件通常是在印有導(dǎo)電圖案的平板基底上沉積半導(dǎo)體薄膜組裝而成。不同的電子元器件被進(jìn)一步安置在印有電路圖案的平板基底上,形成集成電路板。這種平板結(jié)構(gòu)電子器件及集成電路模塊,導(dǎo)致現(xiàn)有穿戴式電子設(shè)備的應(yīng)用形態(tài)大多偏重于“戴”而非“穿”,主要僅限于小型外飾配件及可彎曲貼片等,缺乏像人類自然穿著的衣服一樣柔軟、可變形、透氣吸水、可洗滌等舒適功能。尤其是在健康生活及醫(yī)療電子等領(lǐng)域,平板結(jié)構(gòu)類型的電子設(shè)備容易引起穿戴者的心理障礙,并影響長(zhǎng)期穿戴使用。

近年來(lái),纖維及織物結(jié)構(gòu)的柔性電子器件得到了廣泛關(guān)注。其不僅能實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)電子器件相同的電子功能,而且外觀與普通布料相似,透氣透濕、可彎曲拉伸、適合人體穿戴,還可與其它纖維器件共捻共織,形成無(wú)須外充電的集成織物,從而像普通布料一樣穿戴在人身上,進(jìn)行24小時(shí)的日常健康監(jiān)控或應(yīng)急援助,甚至有一天可能會(huì)促使我們的手機(jī)、電腦等變成穿在身上的布料。

目前,國(guó)內(nèi)外研究者已通過(guò)在金屬絲、碳基纖維、導(dǎo)電高分子纖維乃至包裹了導(dǎo)電材料的高分子纖維上,沉積一層或多層半導(dǎo)體材料,開發(fā)了系列纖維結(jié)構(gòu)的功能電極。這些纖維結(jié)構(gòu)的功能電極,可進(jìn)一步與其它導(dǎo)電纖維或者其它纖維功能電極一起并排組裝、相互纏繞或者交錯(cuò)編織,從而構(gòu)成纖維或織物結(jié)構(gòu)的柔性電子器件,包括電容器、光伏電池、儲(chǔ)能電池、傳感器以及晶體管等。

我國(guó)在纖維及織物結(jié)構(gòu)電子器件領(lǐng)域的研究一直處于國(guó)際前沿水平。早在2008年,北京大學(xué)鄒德春教授課題組就報(bào)道了一類纖維結(jié)構(gòu)的新型太陽(yáng)能電池。他們?cè)诮饘俳z上沉積N型半導(dǎo)體的納米顆粒或納米線陣列,并包覆P型半導(dǎo)體或電解質(zhì)凝膠等,然后與金屬絲、碳纖維等捻線纏繞,組裝了一類纖維結(jié)構(gòu)的新型太陽(yáng)能電池。其只有頭發(fā)絲粗細(xì),卻可像普通光伏電池板一樣采集陽(yáng)光發(fā)電。

2016年,我們課題組在鍍金屬錳的高分子纖維上先后沉積N型半導(dǎo)體層及P型半導(dǎo)體層,并以此為緯線,以細(xì)銅絲作經(jīng)線,通過(guò)類似飛梭織布的方式直接交錯(cuò)編織,組裝了一類織物結(jié)構(gòu)的新型光伏電池。我們還將其與纖維結(jié)構(gòu)鋅錳二次電池共同編織,形成可光充電的織物結(jié)構(gòu)柔性電源。盡管外觀就像一塊普通布料,但是其可以像充電寶那樣直接對(duì)手機(jī)充電。

2021年,我們課題組進(jìn)一步提出了一種改變游戲規(guī)則的解決方案,即是開發(fā)一種可替代印制電路板的非印刷型的集成電路紡織品。它不僅包括了多種纖維結(jié)構(gòu)的電子元件,而且在其機(jī)織圖案中擁有一個(gè)完整的電路。電路中包括了纖維結(jié)構(gòu)的汗液傳感器、壓力傳感器和光傳感器等,可同時(shí)監(jiān)測(cè)人體健康和環(huán)境;纖維編織結(jié)構(gòu)的晶體管單元被編織成邏輯計(jì)算模塊,可以通過(guò)邏輯運(yùn)算區(qū)分不同的緊急情況,并進(jìn)行無(wú)線報(bào)警信號(hào)的編碼發(fā)送;基于對(duì)纖維織物結(jié)構(gòu)光伏電池及儲(chǔ)能電池模塊的功耗分析及設(shè)計(jì),這種編織電路可以通過(guò)采集陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)不間斷工作,從而用于人體日常保健中的智能無(wú)線監(jiān)測(cè),以及糖尿病監(jiān)測(cè)、或低血糖、代謝性堿中毒等緊急情況的預(yù)警,成為一名全天候的私人智能“護(hù)士”。

暢想未來(lái),智能電子織物將以一種更休閑更普通的形象展現(xiàn)在人們面前。一件看似普通的休閑裝,通過(guò)融合在肩部、關(guān)節(jié)或身體任何部位的纖維電子元件,可監(jiān)測(cè)環(huán)境變化,判斷人體出汗和運(yùn)動(dòng)狀況等是否合理,或者通過(guò)移動(dòng)云端反饋給醫(yī)護(hù)人員,針對(duì)嬰兒、老年人、康復(fù)者等不同人群定制健康計(jì)劃,并反饋給朋友或家人。智能紡織品還可以像計(jì)算機(jī)一樣智能地控制各種人機(jī)交互及人體輔助設(shè)備,幫助普通人高效率的學(xué)習(xí)、運(yùn)動(dòng)、工作等。

智能電子織物：把智能醫(yī)生穿在身上！

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