新型智能面料：半導(dǎo)體纖維及其光電通信

  ICCSZ訊 近日，麻省理工學(xué)院和美國先進(jìn)功能織物聯(lián)盟(AFFOA)的研究人員首次研究出具有嵌入式電子元件的纖維，這種纖維非常柔軟，可以編織成柔軟的織物并制成可穿著的衣服。其相關(guān)工作以“Diode fibres for fabric-based optical communications”為題，于8月8日發(fā)表在《Nature》期刊上。

  該論文通訊作者為麻省理工學(xué)院的Yoel Fink教授。

  早在2015年，谷歌公司就曾開發(fā)出一種可以織入面料的高導(dǎo)電的紗線，這種智能面料可以將觸摸功能和手勢(shì)操作功能編入面料，直接讓衣服變成觸摸屏。從此，衣服不僅僅追求時(shí)尚，也將成為科技生活的一部分。但是，由于加工工藝的難題，這種智能面料至今沒有大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)。

  近年來，隨著復(fù)合材料的發(fā)展和人們智能化生活的需求，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出各式各樣的功能纖維。顧名思義，功能纖維就是指在纖維現(xiàn)有的性能之外，還具有某些特殊功能，如導(dǎo)電纖維、光導(dǎo)纖維等。將功能纖維與紡織品結(jié)合，并賦予衣物新功能，一直是科學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)。

  半導(dǎo)體二極管是現(xiàn)代計(jì)算、通信和傳感技術(shù)的基本組成部分。因此，將它們整合到紡織品級(jí)的纖維中，可以提高織物的“聰明度”，例如，以織物為基礎(chǔ)的通信或生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前已經(jīng)證明，在纖維預(yù)成型時(shí)，通過纖維拉伸工藝將具有不同電子和光學(xué)性質(zhì)的材料融合到單絲中，可以增加纖維和織物的功能性。然而，該方法僅限于可以在其粘性狀態(tài)下共同拉伸的材料，并且其性能比不上使用基于晶圓制備方法得到的“器件級(jí)”材料。到目前為止，在熱拉伸纖維中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量半導(dǎo)體二極管還存在一些加工技術(shù)的挑戰(zhàn)。

  麻省理工學(xué)院的研究人員將高速光電半導(dǎo)體器件(包括發(fā)光二極管(LED)和二極管光電探測(cè)器)嵌入到纖維中，制成柔軟的可清洗織物，并形成了完整的通信系統(tǒng)。這標(biāo)志著我們已經(jīng)通過引入半導(dǎo)體器件，初步實(shí)現(xiàn)了“智能化”面料，填補(bǔ)了迄今為止制造具有復(fù)雜功能的面料的技術(shù)空白。

  在這項(xiàng)工作中，麻省理工的研究人員采用了一種電連接二極管纖維的熱拉伸工藝，將預(yù)制棒(preform)的拉伸與高性能半導(dǎo)體器件相結(jié)合。首先，他們制造了一個(gè)大塊的預(yù)制棒，在該結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在分立的二極管以及空心通道，通過該空心通道可以饋送(feed)導(dǎo)電銅或鎢絲。當(dāng)預(yù)制棒被加熱并被拉成纖維時(shí)，將導(dǎo)線逐漸接近二極管直到它們形成電接觸，從而在單根纖維內(nèi)并聯(lián)數(shù)百個(gè)二極管。最終，他們得到了兩種類型的纖維內(nèi)器件：發(fā)光二極管和光電檢測(cè)“p-i-n”二極管。通過在纖維的包層內(nèi)設(shè)計(jì)光學(xué)透鏡，可以實(shí)現(xiàn)光準(zhǔn)直和聚焦，并且使器件間距小于20厘米。

  這種功能化的纖維材料具有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：纖維本身就具有優(yōu)異的防水性能，并且將這種二極管纖維清洗10遍后，依然能夠保持其原有的功能性。為了證明這一點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)將一些光電探測(cè)纖維放入魚缸內(nèi)，在魚缸外面放一盞燈，就可以將音樂以光學(xué)信號(hào)的形式快速通過水傳送給光纖;魚缸中的光纖可以將光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，最后再轉(zhuǎn)換成音樂。研究人員發(fā)現(xiàn)：纖維在水中放置數(shù)周后仍能保持其性能。

  為了證明這種纖維的光通信性能，他們?cè)趦煞N含有接收/發(fā)射極纖維的織物之間，建立了一個(gè)3MHz雙向光通信鏈路。同時(shí)，利用二極管的光電容積脈搏波脈沖測(cè)量方法(photoplethysmography pulse measurement)，該智能織物能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)人體的生理狀態(tài)，比如心率、呼吸或者脈搏等。

  研究人員表示，他們的方法提供了一條在纖維中實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜功能的途徑，預(yù)計(jì)未來幾年纖維界會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的“摩爾定律”。換言之，就像過去數(shù)十年集成電路性能的發(fā)展一樣，光纖的功能復(fù)雜度將隨著時(shí)間的推移呈指數(shù)級(jí)迅速增長。研究人員已經(jīng)在逐步擴(kuò)展面料的基本功能，包括通信、照明、生理監(jiān)測(cè)等。未來幾年，這種類似的智能面料將為我們提供更多的增值服務(wù)，不再僅僅是美觀和舒適的選擇。

  a、預(yù)制棒結(jié)構(gòu)圖；

  b、預(yù)制棒拉伸過程的示意圖。

  a、發(fā)光纖維的示意圖；

  b、包含InGaN藍(lán)色LEDs 的發(fā)光纖維圖片；

  c、包含InGaN LEDs 的發(fā)光纖維發(fā)出綠色；

  d、包含InGaN LEDs 的發(fā)光纖維發(fā)出紅色；

  e、光探測(cè)纖維結(jié)構(gòu)示意圖；

  f、包含GaAs器件的纖維電流-電壓曲線；

  g、光探測(cè)纖維的帶寬測(cè)量(藍(lán)圈)。

  a、嵌入織物中的發(fā)光和光檢測(cè)纖維。

  b、兩根透鏡式光纖之間的通信。

  c、光電檢測(cè)纖維的檢測(cè)電流信號(hào)。

  a、雙向通信系統(tǒng)概念的示意圖。

  b、將光檢測(cè)纖維嵌入織物中的光電檢測(cè)纖維記錄的電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

  c、使用發(fā)光(綠光虛線)和光電檢測(cè)(黑色虛線)的光電容積脈搏波脈沖測(cè)量裝置的示意圖，纖維彼此相距5毫米。

  d、由光電檢測(cè)光纖測(cè)量的電流(黑色曲線)與商用脈沖傳感器的輸出(紅色曲線)相比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

  論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-018-0390-x