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我們每天的生活越來越離不開電腦、手機等電子終端設備。隨著下一代移動信息網絡、智能大健康等新興戰略性產業發展,新型穿戴式電子終端已成為未來技術發展的一大趨勢。

然而,傳統電子器件通常是在印有導電圖案的平板基底上沉積半導體薄膜組裝而成。不同的電子元器件被進一步安置在印有電路圖案的平板基底上,形成集成電路板。這種平板結構電子器件及集成電路模塊,導致現有穿戴式電子設備的應用形態大多偏重于“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療電子等領域,平板結構類型的電子設備容易引起穿戴者的心理障礙,并影響長期穿戴使用。

近年來,纖維及織物結構的柔性電子器件得到了廣泛關注。其不僅能實現與傳統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,進行24小時的日常健康監控或應急援助,甚至有一天可能會促使我們的手機、電腦等變成穿在身上的布料。

目前,國內外研究者已通過在金屬絲、碳基纖維、導電高分子纖維乃至包裹了導電材料的高分子纖維上,沉積一層或多層半導體材料,開發了系列纖維結構的功能電極。這些纖維結構的功能電極,可進一步與其它導電纖維或者其它纖維功能電極一起并排組裝、相互纏繞或者交錯編織,從而構成纖維或織物結構的柔性電子器件,包括電容器、光伏電池、儲能電池、傳感器以及晶體管等。

我國在纖維及織物結構電子器件領域的研究一直處于國際前沿水平。早在2008年,北京大學鄒德春教授課題組就報道了一類纖維結構的新型太陽能電池。他們在金屬絲上沉積N型半導體的納米顆粒或納米線陣列,并包覆P型半導體或電解質凝膠等,然后與金屬絲、碳纖維等捻線纏繞,組裝了一類纖維結構的新型太陽能電池。其只有頭發絲粗細,卻可像普通光伏電池板一樣采集陽光發電。

2016年,我們課題組在鍍金屬錳的高分子纖維上先后沉積N型半導體層及P型半導體層,并以此為緯線,以細銅絲作經線,通過類似飛梭織布的方式直接交錯編織,組裝了一類織物結構的新型光伏電池。我們還將其與纖維結構鋅錳二次電池共同編織,形成可光充電的織物結構柔性電源。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手機充電。

2021年,我們課題組進一步提出了一種改變游戲規則的解決方案,即是開發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構的電子元件,而且在其機織圖案中擁有一個完整的電路。電路中包括了纖維結構的汗液傳感器、壓力傳感器和光傳感器等,可同時監測人體健康和環境;纖維編織結構的晶體管單元被編織成邏輯計算模塊,可以通過邏輯運算區分不同的緊急情況,并進行無線報警信號的編碼發送;基于對纖維織物結構光伏電池及儲能電池模塊的功耗分析及設計,這種編織電路可以通過采集陽光實現不間斷工作,從而用于人體日常保健中的智能無線監測,以及糖尿病監測、或低血糖、代謝性堿中毒等緊急情況的預警,成為一名全天候的私人智能“護士”。

暢想未來,智能電子織物將以一種更休閑更普通的形象展現在人們面前。一件看似普通的休閑裝,通過融合在肩部、關節或身體任何部位的纖維電子元件,可監測環境變化,判斷人體出汗和運動狀況等是否合理,或者通過移動云端反饋給醫護人員,針對嬰兒、老年人、康復者等不同人群定制健康計劃,并反饋給朋友或家人。智能紡織品還可以像計算機一樣智能地控制各種人機交互及人體輔助設備,幫助普通人高效率的學習、運動、工作等。

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