織物電子學(xué)的研究對(duì)象是具有產(chǎn)生、傳輸、調(diào)制或測(cè)量等電子功能的纖維或纖維集合體。織物電子系統(tǒng)通常由織物電子器件和微電子器件混合互補(bǔ)集成而成。它們作為可穿戴系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，可為人類提供多種功能,如感知、驅(qū)動(dòng)、自適應(yīng)、交流、自我修復(fù)、記憶、學(xué)習(xí)等，而不影響系統(tǒng)本身的服用性。香港理工大學(xué)陶肖明教授課題組在《科學(xué)通報(bào)》“香山科學(xué)會(huì)議”專欄發(fā)表評(píng)述文章“織物電子器件及系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、科學(xué)問(wèn)題、核心技術(shù)和應(yīng)用展望”，闡述了不同類別織物電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，并結(jié)合在研發(fā)及實(shí)施工程化產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的切身體會(huì)，介紹了織物電子器件和系統(tǒng)方面的核心技術(shù)及其應(yīng)用前景。

　　豐富的織物電子器件

　　柔性傳感器：除具有傳感特性外，織物傳感器還具有織物柔軟、耐用、生物相容和輕便的特性。根據(jù)外在的刺激種類，可分為應(yīng)變傳感器、界面力傳感器、溫度傳感器、生物電極、氣體傳感器、液體傳感器等。

　　柔性執(zhí)行器：柔性執(zhí)行器在柔性機(jī)器人、智能感應(yīng)、醫(yī)學(xué)輔助治療、能量收集和轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與剛性的傳統(tǒng)執(zhí)行器相比，撓性/柔性形狀促動(dòng)器具有高柔韌性、質(zhì)輕和高安全性的優(yōu)點(diǎn)，能夠通過(guò)機(jī)織縫紉或直接涂覆功能材料在織物上等技術(shù)集成織物執(zhí)行器。

　　織物顯示器：近年來(lái)，有機(jī)電致發(fā)光裝置如有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)和聚合物發(fā)光電化學(xué)電池(PLEC)蓬勃發(fā)展。無(wú)機(jī)發(fā)光二極管可直接與織物相連，令可穿戴的紡織品顯示器成為可能

　　(a) 彎曲狀態(tài)下的發(fā)光裝置; (b) OLED的結(jié)構(gòu)示意圖; (c) 纖維型PLEC的結(jié)構(gòu)示意圖; (d) 由發(fā)光纖維織成的服裝

　　織物天線：柔軟的紡織品作為介質(zhì)基板加入導(dǎo)電紗線，可以戴在人體上，具有薄、輕 便、堅(jiān)固的特性，以及易于集成到柔性電路中等特點(diǎn)。

　　產(chǎn)能和儲(chǔ)能器：織物發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可以根據(jù)熱電、光電、壓電、摩擦發(fā)電，以及它們之間的雜化等機(jī)理收集人類活動(dòng)和周邊環(huán)境中的能量。

　　除上述柔性器件外，織物電子系統(tǒng)還必須包括信號(hào)調(diào)制模塊、計(jì)算器、存儲(chǔ)和無(wú)線通訊模塊等微電子器件。

　　廣泛的應(yīng)用前景

　　醫(yī)療健康：織物電子將電子器件或功能嵌入到傳統(tǒng)紡織品中，有望打破傳統(tǒng)醫(yī)療行業(yè)在地域和時(shí)間方面的限制，舒緩醫(yī)療行業(yè)的壓力?？椢镫娮尤嵝詼y(cè)量技術(shù)可監(jiān)測(cè)人體生理參數(shù)，如心電、腦電、運(yùn)動(dòng)特征等，從而判斷人體當(dāng)前的生理狀態(tài)，并建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)跌倒、損傷、突發(fā)性疾病或其他高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)提供監(jiān)測(cè)或預(yù)警。除了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程治療也成為織物電子的一大發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或反饋，可以遠(yuǎn)程控制織物電子器件進(jìn)行遠(yuǎn)程治療，如物理治療、中醫(yī)按摩等。因其具有類衣物的貼合性和隨身性，織物電子系統(tǒng)可以將部分治療融入日常生活中，提供更貼合生活環(huán)境的監(jiān)測(cè)和治療，增加其療效，尤其是在心理治療方面。

　　運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和輔助訓(xùn)練：智能運(yùn)動(dòng)服裝可以獲取人體和周邊環(huán)境的信息，建立更進(jìn)一步的保護(hù)機(jī)制，如避免因過(guò)度運(yùn)動(dòng)和不當(dāng)運(yùn)動(dòng)造成的損傷。這些智能設(shè)備也可以應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練中。例如，Tao研究組在其開(kāi)發(fā)的織物應(yīng)變傳感器基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一套無(wú)線、柔性可穿戴的上臂原位測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)上臂圍度變化和變化率等建立了其與肌肉收縮/放松的定量關(guān)系，有望用于舉重運(yùn)動(dòng)員的日常力量訓(xùn)練。

　　智能防護(hù)：智能織物電子系統(tǒng)能接收環(huán)境和使用者的生理信息并對(duì)其進(jìn)行分析和判斷，獲得使用者自身的健康狀況和所處環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。嵌入不同的電子系統(tǒng)可使其具備不同的防護(hù)功能。例如，嵌入氣體傳感器可以檢測(cè)環(huán)境中的有毒害物質(zhì)，預(yù)防化學(xué)危害; 嵌入定位傳感器可檢測(cè)服用者的地理位置; 嵌入溫濕度傳感器可以檢測(cè)環(huán)境中的溫度濕度等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)情況，可以及時(shí)對(duì)用戶提供預(yù)警信號(hào)或啟動(dòng)保護(hù)方案。在意外情況發(fā)生后，織物電子系統(tǒng)還能根據(jù)環(huán)境和人體生理狀態(tài)發(fā)出求救信號(hào)和定位信號(hào)，甚至還能提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，避免多次傷害。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)：互動(dòng)式織物電子器件具備優(yōu)異的性能和獨(dú)特的特點(diǎn)，如質(zhì)輕、靈活、可大變形等，能為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR)/虛擬現(xiàn)實(shí)(AR)應(yīng)用提供更貼身、更舒適的用戶體驗(yàn)。另外，運(yùn)動(dòng)跟蹤和姿勢(shì)識(shí)別是織物增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的常用功能?？椢镫娮悠骷拖到y(tǒng)的優(yōu)異生物相容性，使得其在與人體接觸方面存在天然優(yōu)勢(shì)。Shu將柔性織物壓力傳感器集成到織物鞋墊開(kāi)發(fā)了一套智能可穿戴系統(tǒng)，可測(cè)量足底壓力分布和分析使用者步態(tài)。同時(shí)，該鞋墊與普通鞋墊相似，使用者不會(huì)產(chǎn)生存有異物感或不適感。Choi等人將一種 纖維基壓力傳感器編織在手套中，形成一雙智能織物手套作為可穿戴的虛擬控制器。Lee等人提出利用織物電子(可穿戴式散熱器)進(jìn)行微氣候控制，以增強(qiáng)可穿戴VR/AR系統(tǒng)的沉浸感，該可穿戴式散熱器與運(yùn)動(dòng)跟蹤手套相結(jié)合展示了在虛擬環(huán)境中用戶可以模擬觸摸不同溫度的物體，比如冰冷的啤酒瓶、軟飲料瓶、一杯溫暖的綠茶或熱咖啡。此外，人體表面生物電位信號(hào)，包括心電圖、眼電、腦電圖和肌電圖，也被作為VR/AR系統(tǒng)的輸入端來(lái)研究。目前，雖然VR/AR系統(tǒng)還不能完全由織物電子構(gòu)成，但更柔軟舒適的織物電子器件已顯示了為用戶提供更友好的沉浸式VR/AR體驗(yàn)的巨大潛力。

　　(c) 用于步態(tài)分析的織物系統(tǒng)界面; (d) 用于虛擬現(xiàn)實(shí)控制的智能手套

　　控制微氣候的織物及其在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用

　　科學(xué)問(wèn)題與核心技術(shù)

　　織物電子系統(tǒng)與傳統(tǒng)的微電子系統(tǒng)或電子系統(tǒng)在材料、結(jié)構(gòu)、集成等方面存在巨大的差異。同時(shí)，對(duì)織物電子在生物相容性、水洗性、舒適性方面也提出更高的要求。圍繞可靠性、交叉兼容性和標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)備適用性、材料可用性和成本等方面限制了現(xiàn)在大部分電子產(chǎn)品的商業(yè)化。此外，織物電子器件和系統(tǒng)具有多尺度(從小纖維到三維大面積結(jié)構(gòu))、系統(tǒng)集成的多物理場(chǎng)、復(fù)雜多變的應(yīng)用環(huán)境等特點(diǎn)，使得織物電子器件或系統(tǒng)研發(fā)的綜合分析變得更為困難。目前，織物電子器件和系統(tǒng)在研發(fā)過(guò)程中存在的一些亟須探索和解決的科學(xué)問(wèn)題，包括:

　　(1) 建立柔性功能材料和結(jié)構(gòu)的測(cè)量和表征系統(tǒng)

　　(2) 建立適用于織物電子器件的機(jī)理和數(shù)學(xué)模型

　　(3) 建立織物電子器件的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)分析及其對(duì)性能的影響

　　(4) 建立織物電子器件和系統(tǒng)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)

　　(5) 織物電子的生物、信息安全問(wèn)題

　　(a) 熱牽拉多功能不同組分的纖維示意圖。(b) CNT涂覆的棉織物和鎳涂覆的滌綸織物構(gòu)成的壓力傳感器示意圖。(c) 該壓力傳感器的實(shí)物照。(d) rGO涂覆的棉紗。(e)用rGO涂覆的棉紗通過(guò)針織工藝織造出的溫度傳感器。(f) Bi2Te3和Sb2Te3薄片被嵌入到玻璃纖維機(jī)織物中構(gòu)成的柔性熱電器件

　　與這些科學(xué)問(wèn)題相對(duì)應(yīng)的功能材料和制備工藝、織物器件的結(jié)構(gòu)和功能理論及表征方法、紡織器件和電子器件的異質(zhì)集成設(shè)備和工藝、紡織電子器件及系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)軟件、特種光纖器件、光電器件、系統(tǒng)微型化、紡織電子器件及系統(tǒng)質(zhì)量保證體系成為了織物電子發(fā)展的核心技術(shù)。

　　(a) 機(jī)織電路板及傳感器連接; (b) 針織電路板和傳感器連接; (c) 刺繡電路和LED連接; (d) 織物和芯片的焊接失效模式; (e) 機(jī)械加持連接; (f) 銅線連接芯片，封裝后的芯片和銅線包纏到紗線里

　　展望

　　現(xiàn)有織物電子器件性能有待提高，如傳感性能、可靠性、魯棒性及壽命一般比剛性微電子器件較差，需要針對(duì)織物的優(yōu)勢(shì)研發(fā)柔性執(zhí)行器等新型織物器件;應(yīng)促進(jìn)光電傳感器件和系統(tǒng)的微小化集成，對(duì)織物電子異質(zhì)混合系統(tǒng)集成的研究需要加強(qiáng);增加對(duì)設(shè)備、 工藝和質(zhì)檢系統(tǒng)的研究，提高織物電子產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性，逐步建立標(biāo)準(zhǔn);應(yīng)充分重視織物電子系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景研究，包括跨學(xué)科的應(yīng)用場(chǎng)景研究，如健康醫(yī)療、人工智能、智能防護(hù)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等，大力推進(jìn)織物電子的應(yīng)用。能否成功應(yīng)用決定了織物電子技術(shù)是否能成為主流科技，對(duì)該領(lǐng)域的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展極為重要。

本文來(lái)自《科學(xué)通報(bào)》

相關(guān)知識(shí)

智能科技交織的未來(lái)：探索可穿戴醫(yī)療設(shè)備的藝術(shù)與創(chuàng)新之美
多功能生物電調(diào)理儀
電磁輻射污染知多少？
智能穿戴設(shè)備：未來(lái)科技生活的變革與趨勢(shì)
羊水穿刺，你知多少？
醫(yī)療智能穿戴設(shè)備的設(shè)備原理 信息推薦「深圳市音速智能科技供應(yīng)」
科技周，這些高科技為健康保駕護(hù)航
「科技探索」智能穿戴設(shè)備：科技融入生活的未來(lái)趨勢(shì)
遺傳與產(chǎn)前診斷 羊水穿刺知多少
麗水激光美容美體儀器選擇「上海羽彤電子科技供應(yīng)」

網(wǎng)址: 能“穿”的高科技——織物電子知多少？ http://www.u1s5d6.cn/newsview148368.html