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”的成果于北京時間3月11日凌晨刊發(fā)在國際頂級期刊《自然》上。其背后的科研團(tuán)隊來自中國上海的復(fù)旦大學(xué)。

“最近十多年來，人們希望織物不再是簡單的有某些單一功能，它還是智能的。什么叫智能？實際上大家還是有一些爭議的，我理解的智能是它和環(huán)境是可以形成一個反饋的?！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難題。從2009年開始，彭慧勝領(lǐng)銜的團(tuán)隊“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現(xiàn)融合，在高分子復(fù)合纖維交織點集成多功能微型發(fā)光器件，揭示了纖維電極之間電場分布的獨特規(guī)律，實現(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

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，如果將薄膜裝置附著在紡織品粗糙和可變形的表面時，它們又往往表現(xiàn)不佳或隨著時間的推移而失效。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，使用時域被打上了折扣。

2015年，團(tuán)隊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，提出并實現(xiàn)了纖維聚合物發(fā)光電化學(xué)池，并通過編成織物實現(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，無法實現(xiàn)平面顯示器中基于發(fā)光像素點的可控顯示。

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)光點陣列，是困擾團(tuán)隊甚至這個領(lǐng)域的一大難題。

研究團(tuán)隊在論文中提到，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)計的圖案，不能根據(jù)輸入的數(shù)字信號動態(tài)地實時控制像素。這在標(biāo)準(zhǔn)的顯示應(yīng)用程序，比如計算機(jī)和移動電話中，是一個相當(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陣。以此為靈感，彭慧勝團(tuán)隊適時轉(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)獨特的搭接結(jié)構(gòu)，由發(fā)光經(jīng)線和導(dǎo)電緯線交錯而成?！迸砘蹌俳忉尩?。

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)光長經(jīng)線的一種簡單方法。

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陣？針對這一技術(shù)難題，彭慧勝團(tuán)隊提出了“限域涂覆”制備路線。

論文顯示，團(tuán)隊將導(dǎo)電紗線浸在硫化鋅熒光漿料中，在其固化之前穿過團(tuán)隊自制的微針孔，微針孔沿著紗線長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)隊在這項研究中使用了大約7微米的優(yōu)化厚度。

在評估發(fā)光涂層均勻性的試驗中，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，即使在扭曲的情況下，發(fā)光仍然穩(wěn)定。對于一段30米長的纖維，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)光活性層在搭接點區(qū)域被電場激發(fā)，就形成一個個發(fā)光‘像素點’?！本瓦@樣，在電場的激發(fā)下，電極和發(fā)光層憑借物理搭接即可實現(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)隊實現(xiàn)了長6米、寬0.25米、包含大約50萬個發(fā)光點的發(fā)光織物。團(tuán)隊還通過在硫化鋅熒光中摻雜不同的元素，如銅和錳，實現(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)緯接觸點之間的距離，團(tuán)隊還可以很容易地調(diào)整發(fā)光單元的密度。在這項研究中，發(fā)光點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)隊研究發(fā)現(xiàn)，具有高曲率表面的纖維相互接觸時，在接觸區(qū)域會形成不均勻的電場分布，這樣的電場不利于器件在變形過程中穩(wěn)定工作。而在現(xiàn)實生活中，穿在身上的衣服難免會有磕磕碰碰，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，就是因為它在織造過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分布，從而確保了織物中‘像素點’的均勻穩(wěn)定發(fā)光?！迸砘蹌俦硎?。

實驗結(jié)果表明，在兩根纖維發(fā)生相對滑移、旋轉(zhuǎn)、彎曲的情況下，交織發(fā)光點亮度變動范圍仍控制在5%以內(nèi)，顯示織物在對折、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現(xiàn)了光伏織物、儲能織物、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、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)隊創(chuàng)建了一個通過動態(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)線緯線交叉點即形成鍵盤。

在電源方面，團(tuán)隊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，實現(xiàn)了在紡織品中發(fā)電和儲電。

研究團(tuán)隊認(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)計各種多功能綜合紡織系統(tǒng)。

作為概念驗證，他們將編織顯示器、鍵盤和電源連接到顯示驅(qū)動程序、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時位置被轉(zhuǎn)移到紡織品上。

團(tuán)隊的多功能集成紡織系統(tǒng)也可以作為一個通信工具，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，將每個數(shù)字分配給一個鍵，在按下相應(yīng)的鍵時輸出該數(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24厘米、寬6厘米的大型展示紡織品。團(tuán)隊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，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。他們在計算機(jī)上對信號進(jìn)行處理，并通過藍(lán)牙模塊將對應(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)隊在論文中寫道，“在未來，加上解碼復(fù)雜腦電波的方法，我們設(shè)想像我們這樣的展示紡織品會成為有效的輔助技術(shù)交流工具?！?/p>

研究團(tuán)隊還期待著，極地科考、地質(zhì)勘探等野外工作場景中，只需在衣物上輕點幾下，即可實時顯示位置信息，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)計研發(fā)，到工程化路線的不斷優(yōu)化……在十年磨一劍的堅持下，研究團(tuán)隊已把產(chǎn)品從實驗室里“帶了出來”，實現(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，但‘啃骨頭’這個事情，大家相對來講都有點躲。”彭慧勝對澎湃新聞記者表示，“但是現(xiàn)在國家的導(dǎo)向越來越有利了，所以我覺得后面可能大家在這方面會下更多功夫，很多問題應(yīng)該會逐步解決。”