某天清晨，你被昨晚設(shè)定的第五個(gè)鬧鐘叫醒，眼前窗簾上正為你展示著當(dāng)日天氣、交通等信息；起身下床之前，看看被子上顯示的睡眠和身體各項(xiàng)指標(biāo)情況，手機(jī)放在地毯上就能充電，連衣服都可以充當(dāng)觸摸屏、方便你隨時(shí)隨地處理工作事務(wù)......這，聽(tīng)起來(lái)很像科幻小說(shuō)的場(chǎng)景？No，no，no！如今，劍橋大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)或?qū)⒆屵@一切成為現(xiàn)實(shí)：他們研發(fā)出了一種基于紡織物的智能顯示屏，將智能傳感器、LED 顯示器、電能收集與存儲(chǔ)直接集成到紡織物中，不僅能實(shí)時(shí)顯示圖表信息、交互觸摸，還能夠任意彎曲折卷，“一塊布就是一個(gè)顯示屏”。

圖｜智能紡織顯示屏可任意折疊、彎曲、卷起（動(dòng)圖素材來(lái)源：Nature Communications）

據(jù)介紹，該技術(shù)首次使用完全基于纖維的制造方法，將可擴(kuò)展的、大面積的復(fù)雜系統(tǒng)集成到紡織品中，具有集成在日常物品上、可直接投入大規(guī)模機(jī)械生產(chǎn)的巨大潛力。相關(guān)研究論文以“Smart textile lighting/display system with multifunctional fibre devices for large scale smart home and IoT applications”為題，已發(fā)表在科學(xué)期刊《自然通訊》（Nature Communications）雜志上。

當(dāng)紡織品=電子顯示屏

隨著“智能家居”“物聯(lián)網(wǎng)”等概念的普及，如今，智能紡織品也成為科學(xué)家們的聚焦點(diǎn)之一。如果大街小巷隨處可見(jiàn)的紡織品能充當(dāng)各類(lèi)電子器件，我們的生活勢(shì)必會(huì)變得更加便捷、酷炫。不過(guò)目前，智能紡織品的功能、尺寸和形狀仍然受到制造工藝的限制，還無(wú)法滿足這一需求。近年來(lái)，有相關(guān)研究提出，可以通過(guò)傳統(tǒng)的編織或針織工藝，將某些特殊的“智能纖維”直接整合到紡織品中。一旦成功，就意味著它們可以被制成日常物品，從而大大擴(kuò)展智能紡織品的潛在應(yīng)用。而在此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)就成功制作了一個(gè)名為 F-devices 的智能紡織品系統(tǒng)，該原型設(shè)備大約 46 英寸，雖然外觀與普通布藝紡織物別無(wú)二致，但卻完全可以作為電子顯示屏運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示射頻信號(hào)、溫度、光線、觸摸信息、生物傳感信息，還能自動(dòng)收集并存儲(chǔ)電量。

圖｜智能紡織顯示屏展示圖（動(dòng)圖素材來(lái)源：Nature Communications）

同時(shí)，由于它是直接使用商業(yè)紡織品制造技術(shù)制成的，原材料為紡織纖維，可以被任意卷動(dòng)、折疊，具備以往智能紡織物難以達(dá)到的靈活性與柔韌度。

圖｜基于紡織物的智能顯示屏（來(lái)源：Nature Communications）

研究團(tuán)隊(duì)表示，此次制造的原型顯示器為下一代電子紡織品應(yīng)用鋪平了道路，這些應(yīng)用可能涉及智能與節(jié)能建筑等領(lǐng)域，比如采用智能紡織物技術(shù)的建筑可以自行產(chǎn)生和存儲(chǔ)能源。此外，物聯(lián)網(wǎng)、分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)以及與紡織物集成的靈活且可穿戴的交互式顯示器都將向前邁進(jìn)一大步。

多重功能集于一體，太酷了！

那么，該系統(tǒng)具體是如何實(shí)現(xiàn)的？

首先，研究團(tuán)隊(duì)將 F-射頻天線、F-光電探測(cè)器、F-觸摸傳感器、F-溫度傳感器、F-生物傳感器模塊、F-能量存儲(chǔ)模塊 6 大纖維部件集成起來(lái)，同時(shí)以 RGB 纖維為原材料，實(shí)現(xiàn)了顯示屏的多重功能。

圖｜a）F-devices內(nèi)嵌的六大關(guān)鍵部件；b）直接使用車(chē)間的機(jī)械紡織技術(shù)織造該系統(tǒng)；c）原型智能紡織系統(tǒng)（來(lái)源：該論文）

其中，光電探測(cè)器與溫度傳感器用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，當(dāng)接收輸入信號(hào)后（比如被紫外線照射），該智能顯示屏就會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前信息。

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圖 | 研究團(tuán)隊(duì)使用紫外線照射光學(xué)傳感器，顯示屏?xí)シ艑?duì)應(yīng)信息（動(dòng)圖素材來(lái)源：Nature Communications）

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圖｜智能紡織顯示屏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并以圖表形式展示當(dāng)前溫度變化（動(dòng)圖素材來(lái)源：Nature ?Communications）

而生物傳感器則用于檢測(cè)人體各項(xiàng)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)中，工作人員使用該系統(tǒng)讀取自身心跳，顯示屏則實(shí)時(shí)顯示心電圖。

圖｜智能紡織顯示屏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心跳并顯示心電圖（動(dòng)圖素材來(lái)源：Nature Communications）

觸摸傳感器則被設(shè)計(jì)用于操作每個(gè)光纖設(shè)備，并在接收到觸摸時(shí)會(huì)在紡織品顯示器上顯示一組預(yù)編碼指令，為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)還在其中加入了智能小工具和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的 30 個(gè)執(zhí)行術(shù)語(yǔ)（下圖左側(cè)表格）：

圖 | 當(dāng)觸摸傳感器接收到不同輸入信號(hào)，會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的指令并展示在顯示屏上（動(dòng)圖素材來(lái)源：Nature Communications）

此外，研究團(tuán)隊(duì)還在這塊智能紡織物顯示屏中集成了電量收集與存儲(chǔ)模塊，從而保證可獨(dú)立地向顯示屏持續(xù)供電 5 分鐘。

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圖 | 電量存儲(chǔ)模塊正在向顯示屏供電，可維持5分鐘左右（動(dòng)圖素材來(lái)源：Nature Communications）

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除了過(guò)硬的功能實(shí)現(xiàn)，為了讓智能顯示屏與編織工藝完美融合起來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)還在每個(gè)纖維部件上涂覆了可以承受足夠拉伸的材料，以便它們可以被直接用在紡織制造的機(jī)械設(shè)備中。此外，為了提高智能顯示屏的可靠性和耐用性，研究團(tuán)隊(duì)還編織了一些基于纖維的組件，經(jīng)過(guò) 1000 次機(jī)械與電氣穩(wěn)定性測(cè)試以及防水測(cè)試發(fā)現(xiàn)，光纖部件等均無(wú)機(jī)械損傷，性能偏差也維持在穩(wěn)定范圍之內(nèi)。

圖 | 研究團(tuán)隊(duì)測(cè)試 F-devices 的防水性（動(dòng)圖素材來(lái)源： Nature Communications ）

最后，研究團(tuán)隊(duì)使用導(dǎo)電粘合劑和激光焊接技術(shù)將多個(gè)光纖組件連接在了一起，并成功地通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)可擴(kuò)展的紡織品制造工藝，將多種功能整合到了一大塊機(jī)器紡織物中。對(duì)此，此項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者之一、劍橋大學(xué)工程系教授 Jong min Kim 表示：“我們的方法建立在微納米技術(shù)、先進(jìn)顯示器、傳感器、能源和工業(yè)紡織品制造的重重融合之上，這是朝著在日常應(yīng)用中充分利用可持續(xù)、便捷的電子纖維和電子紡織品邁出的重要一步?！蹦壳?，研究團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)研究如何提高該技術(shù)的可持續(xù)性、以及如何應(yīng)用于日常物品中，并致力于將可持續(xù)材料整合為纖維成分，以此提出一類(lèi)新型的、基于紡織的能源系統(tǒng)。而這些靈活而實(shí)用的智能紡織物，最終可以被制成電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池板和其他設(shè)備等。正如另一位研究領(lǐng)導(dǎo)者、劍橋大學(xué)工程系教授 Luigi Occhipinti 所說(shuō)：“通過(guò)集成基于光纖的電子、光子、傳感和能量功能，我們可以實(shí)現(xiàn)這樣一類(lèi)全新的智能設(shè)備和聯(lián)合系統(tǒng)。此次研究是對(duì)紡織制造潛力的一次深入探索，通過(guò)該技術(shù)，我們很快就會(huì)看到能源自主的智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這些設(shè)備將可以無(wú)縫集成到我們的日常物品和許多其他行業(yè)應(yīng)用中。”對(duì)于智能紡織物，你有什么看法？歡迎在評(píng)論區(qū)分享～

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28459-6#Fig4https://www.techexplorist.com/fully-woven-smart-display/44664/https://techxplore.com/news/2022-02-scientists-fully-woven-smart.html

本文來(lái)自微信公眾號(hào)“學(xué)術(shù)頭條”（ID：SciTouTiao），作者：吳婷婷，編審：寇建超，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。