新型智能面料：半導體纖維及其光電通信

  ICCSZ訊 近日，麻省理工學院和美國先進功能織物聯盟(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電的紗線，這種智能面料可以將觸摸功能和手勢操作功能編入面料，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)模進入市場。

  近年來，隨著復合材料的發(fā)展和人們智能化生活的需求，科學家們已經開發(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有的性能之外，還具有某些特殊功能，如導電纖維、光導纖維等。將功能纖維與紡織品結合，并賦予衣物新功能，一直是科學家們關注的熱點。

  半導體二極管是現代計算、通信和傳感技術的基本組成部分。因此，將它們整合到紡織品級的纖維中，可以提高織物的“聰明度”，例如，以織物為基礎的通信或生理監(jiān)測系統(tǒng)。目前已經證明，在纖維預成型時，通過纖維拉伸工藝將具有不同電子和光學性質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”材料。到目前為止，在熱拉伸纖維中實現高質量半導體二極管還存在一些加工技術的挑戰(zhàn)。

  麻省理工學院的研究人員將高速光電半導體器件(包括發(fā)光二極管(LED)和二極管光電探測器)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)。這標志著我們已經通過引入半導體器件，初步實現了“智能化”面料，填補了迄今為止制造具有復雜功能的面料的技術空白。

  在這項工作中，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，將預制棒(preform)的拉伸與高性能半導體器件相結合。首先，他們制造了一個大塊的預制棒，在該結構內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)導電銅或鎢絲。當預制棒被加熱并被拉成纖維時，將導線逐漸接近二極管直到它們形成電接觸，從而在單根纖維內并聯數百個二極管。最終，他們得到了兩種類型的纖維內器件：發(fā)光二極管和光電檢測“p-i-n”二極管。通過在纖維的包層內設計光學透鏡，可以實現光準直和聚焦，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明顯的優(yōu)點：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，該團隊將一些光電探測纖維放入魚缸內，在魚缸外面放一盞燈，就可以將音樂以光學信號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換成電脈沖信號，最后再轉換成音樂。研究人員發(fā)現：纖維在水中放置數周后仍能保持其性能。

  為了證明這種纖維的光通信性能，他們在兩種含有接收/發(fā)射極纖維的織物之間，建立了一個3MHz雙向光通信鏈路。同時，利用二極管的光電容積脈搏波脈沖測量方法(photoplethysmography pulse measurement)，該智能織物能夠實時檢測人體的生理狀態(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現更復雜功能的途徑，預計未來幾年纖維界會出現一個新的“摩爾定律”。換言之，就像過去數十年集成電路性能的發(fā)展一樣，光纖的功能復雜度將隨著時間的推移呈指數級迅速增長。研究人員已經在逐步擴展面料的基本功能，包括通信、照明、生理監(jiān)測等。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，不再僅僅是美觀和舒適的選擇。

  a、預制棒結構圖；

  b、預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、光探測纖維結構示意圖；

  f、包含GaAs器件的纖維電流-電壓曲線；

  g、光探測纖維的帶寬測量(藍圈)。

  a、嵌入織物中的發(fā)光和光檢測纖維。

  b、兩根透鏡式光纖之間的通信。

  c、光電檢測纖維的檢測電流信號。

  a、雙向通信系統(tǒng)概念的示意圖。

  b、將光檢測纖維嵌入織物中的光電檢測纖維記錄的電流實驗結果。

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

  d、由光電檢測光纖測量的電流(黑色曲線)與商用脈沖傳感器的輸出(紅色曲線)相比的實驗結果。

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