一塊1.5平方米的“布”，不僅能像顯示器一樣發(fā)光、展現(xiàn)不同的顏色與圖案，還可以清洗、彎折……這一“十年磨一劍”的成果于北京時(shí)間3月11日凌晨刊發(fā)在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》上。其背后的科研團(tuán)隊(duì)來自中國(guó)上海的復(fù)旦大學(xué)。

“最近十多年來，人們希望織物不再是簡(jiǎn)單的有某些單一功能，它還是智能的。什么叫智能？實(shí)際上大家還是有一些爭(zhēng)議的，我理解的智能是它和環(huán)境是可以形成一個(gè)反饋的?！睆?fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授彭慧勝在接受澎湃新聞（m.xinlihui.cn）記者采訪時(shí)如是談起他研究多年的智能織物。

早在5000多年前，人類開始用包括蠶絲在內(nèi)的自然界纖維材料制備衣服，功能從遮體、美觀逐漸延伸開來。而在彭慧勝等科學(xué)家們的設(shè)想中，未來的衣服不再僅僅是一件衣服，我們可以按照衣服上顯示的導(dǎo)航騎行、收發(fā)訊息，甚至在必要的時(shí)候可以顯示人的心理狀態(tài)……

這些均被定義為智能電子織物，被認(rèn)為可有力推動(dòng)傳統(tǒng)紡織制造和物聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興領(lǐng)域的快速融合發(fā)展，有望催生新興技術(shù)，在某些方面給人們的生活方式帶來全新變革。

而如何將人們期待的功能有效集成到織物中，同時(shí)織物仍然能保持柔軟透氣、不易形變、耐洗、功能還依然穩(wěn)定？目前科學(xué)界仍在致力于攻克多個(gè)難題。從2009年開始，彭慧勝領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)“十年磨一劍”于近日成功將顯示器件的制備與織物編織過程實(shí)現(xiàn)融合，在高分子復(fù)合纖維交織點(diǎn)集成多功能微型發(fā)光器件，揭示了纖維電極之間電場(chǎng)分布的獨(dú)特規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了大面積柔性顯示織物和智能集成系統(tǒng)。

上述研究成果題為《大面積顯示織物及其功能集成系統(tǒng)》（“Large-area display textiles integrated with functional systems”）。彭慧勝和復(fù)旦大學(xué)青年研究員陳培寧為該論文通訊作者，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士研究生施翔、碩士研究生左勇以及工程與應(yīng)用技術(shù)研究院博士研究生翟鵬為論文第一作者。

經(jīng)緯交錯(cuò)

顯示作為電子設(shè)備的重要輸出端，在近幾十年來已經(jīng)從剛性、笨重的面板發(fā)展到了柔性薄膜。然而，電子紡織品的結(jié)構(gòu)及制造與例如有機(jī)發(fā)光二極管薄膜（OLEDs）這樣的傳統(tǒng)設(shè)備有著顯著差異。

一方面，紡織品由纖維編織而成，形成粗糙的多孔結(jié)構(gòu)，它可以變形并適應(yīng)人體輪廓。但與此同時(shí)，如果將薄膜裝置附著在紡織品粗糙和可變形的表面時(shí)，它們又往往表現(xiàn)不佳或隨著時(shí)間的推移而失效。此外，用于制造OLEDs的蒸發(fā)工藝也不適于大規(guī)模制造纖維電極。

彭慧勝等人致力于智能高分子纖維與織物研發(fā)已十余年。據(jù)介紹，早在2009年，團(tuán)隊(duì)提出了聚丁二炔與取向碳納米管復(fù)合以制備新型電致變色纖維的研究思路。然而，電致變色僅在白天可見，晚上則無法被有效應(yīng)用，使用時(shí)域被打上了折扣。

2015年，團(tuán)隊(duì)在涂覆方法方面取得突破，成功解決共軛高分子活性層在高曲率纖維電極表面均勻成膜的難題，提出并實(shí)現(xiàn)了纖維聚合物發(fā)光電化學(xué)池，并通過編成織物實(shí)現(xiàn)了不同的發(fā)光圖案。但此種方法也有局限之處，經(jīng)由發(fā)光纖維編織所顯示的圖案數(shù)量非常有限，無法實(shí)現(xiàn)平面顯示器中基于發(fā)光像素點(diǎn)的可控顯示。

如何在柔軟且直徑僅為幾十至幾百微米的纖維上構(gòu)建可程序化控制的發(fā)光點(diǎn)陣列，是困擾團(tuán)隊(duì)甚至這個(gè)領(lǐng)域的一大難題。

研究團(tuán)隊(duì)在論文中提到，盡管例如光纖、聚合物發(fā)光電化學(xué)電池纖維和交流電發(fā)光纖維這樣的纖維發(fā)光器件，可以編織到發(fā)光紡織品中，但它們通常顯示預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案，不能根據(jù)輸入的數(shù)字信號(hào)動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)控制像素。這在標(biāo)準(zhǔn)的顯示應(yīng)用程序，比如計(jì)算機(jī)和移動(dòng)電話中，是一個(gè)相當(dāng)大的限制。

最終，編織中常見的經(jīng)緯線交織解決了關(guān)鍵問題。在織物編織過程中，這樣的交織可以自然地形成類似于顯示器像素陣列的點(diǎn)陣。以此為靈感，彭慧勝團(tuán)隊(duì)適時(shí)轉(zhuǎn)換了思路，他們著眼于研制兩種功能纖維——負(fù)載有發(fā)光活性材料的高分子復(fù)合發(fā)光纖維和透明導(dǎo)電的高分子凝膠纖維。

通過上述兩種功能纖維在編織過程中的經(jīng)緯交織形成電致發(fā)光單元，并通過有效的電路控制實(shí)現(xiàn)新型柔性顯示織物。

發(fā)光經(jīng)線

是什么使織物擁有了顯示特性？其內(nèi)在結(jié)構(gòu)如何？ “顯示織物內(nèi)呈現(xiàn)獨(dú)特的搭接結(jié)構(gòu)，由發(fā)光經(jīng)線和導(dǎo)電緯線交錯(cuò)而成?！迸砘蹌俳忉尩馈?/p>

從橫截面方向看，其中一根為涂覆有硫化鋅發(fā)光材料的導(dǎo)電紗線，另一根透明導(dǎo)電纖維通過編織與其經(jīng)緯搭接。論文中提到，這種基于涂覆的方案是獲得連續(xù)發(fā)光長(zhǎng)經(jīng)線的一種簡(jiǎn)單方法。

比起傳統(tǒng)的平板發(fā)光器件，發(fā)光纖維直徑可在0.2毫米至0.5毫米之間精確調(diào)控，奠定了其“超細(xì)超柔”的特性。但值得注意的是，如何在微米級(jí)直徑的纖維上連續(xù)涂覆均勻的發(fā)光材料涂層，構(gòu)建得到發(fā)光強(qiáng)度高度一致的像素點(diǎn)陣？針對(duì)這一技術(shù)難題，彭慧勝團(tuán)隊(duì)提出了“限域涂覆”制備路線。

論文顯示，團(tuán)隊(duì)將導(dǎo)電紗線浸在硫化鋅熒光漿料中，在其固化之前穿過團(tuán)隊(duì)自制的微針孔，微針孔沿著紗線長(zhǎng)度和圓周方向使涂層光滑均勻。涂覆固化后即得到了能抵御外界摩擦、反復(fù)彎折的發(fā)光功能層。使用不同直徑的微針孔還可以用來調(diào)節(jié)發(fā)光層的厚度。研究團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究中使用了大約7微米的優(yōu)化厚度。

在評(píng)估發(fā)光涂層均勻性的試驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，即使在扭曲的情況下，發(fā)光仍然穩(wěn)定。對(duì)于一段30米長(zhǎng)的纖維，其發(fā)光強(qiáng)度變化小于10%。纖維沿圓周的不同位置發(fā)光強(qiáng)度也幾乎相同，且與觀測(cè)角度無關(guān)。而帶有不均勻硫化鋅熒光涂層的纖維則顯示出不均勻的亮度，“這表明發(fā)光需要均勻的發(fā)光涂層?！?/p>

“施加交流電壓后，位于發(fā)光纖維上的高分子復(fù)合發(fā)光活性層在搭接點(diǎn)區(qū)域被電場(chǎng)激發(fā)，就形成一個(gè)個(gè)發(fā)光‘像素點(diǎn)’?！本瓦@樣，在電場(chǎng)的激發(fā)下，電極和發(fā)光層憑借物理搭接即可實(shí)現(xiàn)有效發(fā)光，該方法可以將發(fā)光器件制備與織物編織過程相統(tǒng)一。

利用工業(yè)化編織設(shè)備，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)6米、寬0.25米、包含大約50萬個(gè)發(fā)光點(diǎn)的發(fā)光織物。團(tuán)隊(duì)還通過在硫化鋅熒光中摻雜不同的元素，如銅和錳，實(shí)現(xiàn)多色發(fā)光單元，得到多彩的顯示織物。

此外，通過調(diào)整織造參數(shù)來改變經(jīng)緯接觸點(diǎn)之間的距離，團(tuán)隊(duì)還可以很容易地調(diào)整發(fā)光單元的密度。在這項(xiàng)研究中，發(fā)光點(diǎn)之間最小的間距約為800微米。這也意味著能初步滿足部分實(shí)際應(yīng)用的分辨率需求。

牢固緯線

發(fā)光只是解決問題的第一步。團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，具有高曲率表面的纖維相互接觸時(shí)，在接觸區(qū)域會(huì)形成不均勻的電場(chǎng)分布，這樣的電場(chǎng)不利于器件在變形過程中穩(wěn)定工作。而在現(xiàn)實(shí)生活中，穿在身上的衣服難免會(huì)有磕磕碰碰，也需日常清洗。

如何能使顯示織物適應(yīng)外界環(huán)境的改變，乃至抵御住反復(fù)摩擦、彎折、拉伸等外在作用力，保證發(fā)光的穩(wěn)定性？團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)電纖維緯線的力學(xué)性能方面下足了功夫。

論文顯示，團(tuán)隊(duì)用聚氨酯凝膠通過熔融擠出方法制備了高彈性的透明（透光率超過90%）高分子導(dǎo)電纖維。選擇聚氨酯作為聚合物基體，就是因?yàn)樗诳椩爝^程中能夠持久地摩擦、壓縮和彎曲。

在編織過程中，該纖維由于線張力的作用，與發(fā)光纖維接觸的區(qū)域發(fā)生彈性形變，并被織物交織的互鎖結(jié)構(gòu)所固定?！巴ㄟ^對(duì)高分子導(dǎo)電纖維的模量調(diào)控，使其在與發(fā)光經(jīng)線交織時(shí)發(fā)生自適應(yīng)彈性形變，從而形成穩(wěn)定接觸界面，并使得在纖維曲面上形成了類似平面的電場(chǎng)分布，從而確保了織物中‘像素點(diǎn)’的均勻穩(wěn)定發(fā)光。”彭慧勝表示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在兩根纖維發(fā)生相對(duì)滑移、旋轉(zhuǎn)、彎曲的情況下，交織發(fā)光點(diǎn)亮度變動(dòng)范圍仍控制在5%以內(nèi)，顯示織物在對(duì)折、拉伸、按壓循環(huán)變形條件下亦能保持亮度穩(wěn)定，可耐受上百次的洗衣機(jī)洗滌。

不止發(fā)光顯示，還可多功能集成

研究團(tuán)隊(duì)多年探索下來的編織策略還是通用的。他們基于編織方法實(shí)現(xiàn)了光伏織物、儲(chǔ)能織物、觸摸傳感織物與顯示織物的功能集成系統(tǒng)，使融合能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、傳感與顯示等多功能于一身的織物系統(tǒng)成為可能。

論文中提到，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)通過動(dòng)態(tài)接觸發(fā)揮功能的紡織鍵盤，他們編織低阻經(jīng)線（鍍銀紗）和高阻緯線（碳纖維），經(jīng)線緯線交叉點(diǎn)即形成鍵盤。

在電源方面，團(tuán)隊(duì)用光電陽極紗線來收集太陽能。光電陽極紗線是一根鈦(Ti)線，其表面涂覆了以二氧化鈦(TiO2)納米管為電子傳遞層、染料分子為感光劑、碘化亞銅(CuI)為固體電解質(zhì)的光活性層。他們將這些經(jīng)線和緯線與由柔性二氧化錳涂覆碳納米管纖維(陰極)、鋅線(陽極)和硫酸鋅凝膠電解質(zhì)組裝而成的電池纖維集成在一起，實(shí)現(xiàn)了在紡織品中發(fā)電和儲(chǔ)電。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，通過顯示器、鍵盤和電源這些纖維器件，他們可以為不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)各種多功能綜合紡織系統(tǒng)。

作為概念驗(yàn)證，他們將編織顯示器、鍵盤和電源連接到顯示驅(qū)動(dòng)程序、微控制器和藍(lán)牙模塊，并將集成的紡織系統(tǒng)用作交互式導(dǎo)航顯示器。通過藍(lán)牙模塊，從智能手機(jī)獲取的用戶在丁字路口的實(shí)時(shí)位置被轉(zhuǎn)移到紡織品上。

團(tuán)隊(duì)的多功能集成紡織系統(tǒng)也可以作為一個(gè)通信工具，信息可以輸入并顯示在紡織品上。他們使用數(shù)字1、2和3來演示了這一點(diǎn)，將每個(gè)數(shù)字分配給一個(gè)鍵，在按下相應(yīng)的鍵時(shí)輸出該數(shù)字。通過藍(lán)牙模塊，集成紡織系統(tǒng)和智能手機(jī)之間也可以發(fā)送、接收和顯示信息。

研究團(tuán)隊(duì)的智能電子織物還展示了其在醫(yī)療保健領(lǐng)域的潛力。他們?yōu)榇司幙椧粔K長(zhǎng)24厘米、寬6厘米的大型展示紡織品。團(tuán)隊(duì)從玩賽車游戲的志愿者和冥想的志愿者身上分別收集了腦電圖信號(hào)，放松組的腦電波頻率多為低頻，焦慮組的腦電波頻率則多為高頻。他們?cè)谟?jì)算機(jī)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并通過藍(lán)牙模塊將對(duì)應(yīng)志愿者心理狀態(tài)的文字發(fā)送給微控制器進(jìn)行顯示。

研究團(tuán)隊(duì)在論文中寫道，“在未來，加上解碼復(fù)雜腦電波的方法，我們?cè)O(shè)想像我們這樣的展示紡織品會(huì)成為有效的輔助技術(shù)交流工具?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)還期待著，極地科考、地質(zhì)勘探等野外工作場(chǎng)景中，只需在衣物上輕點(diǎn)幾下，即可實(shí)時(shí)顯示位置信息，地圖導(dǎo)航由“衣”指引；把顯示器“穿”在身上，語言障礙人群以此作為高效便捷交流和表達(dá)的工具……這些原存于想象中的場(chǎng)景，或許在不遠(yuǎn)將來就能走進(jìn)人們的生活。

從研發(fā)思路的推陳出新，到連續(xù)制備關(guān)鍵技術(shù)的接連突破，到設(shè)備的自主設(shè)計(jì)研發(fā)，到工程化路線的不斷優(yōu)化……在十年磨一劍的堅(jiān)持下，研究團(tuán)隊(duì)已把產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室里“帶了出來”，實(shí)現(xiàn)了發(fā)光纖維和織物的連續(xù)化穩(wěn)定制備，致力于推動(dòng)全柔性顯示織物的規(guī)?；瘧?yīng)用研究。

“基礎(chǔ)和應(yīng)用還是有很多的難點(diǎn)，但‘啃骨頭’這個(gè)事情，大家相對(duì)來講都有點(diǎn)躲?！迸砘蹌賹?duì)澎湃新聞?dòng)浾弑硎?，“但是現(xiàn)在國(guó)家的導(dǎo)向越來越有利了，所以我覺得后面可能大家在這方面會(huì)下更多功夫，很多問題應(yīng)該會(huì)逐步解決?！?/p>