織物電子學的研究對象是具有產生、傳輸、調制或測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集成而成。它們作為可穿戴系統(tǒng)的一個重要分支，可為人類提供多種功能,如感知、驅動、自適應、交流、自我修復、記憶、學習等，而不影響系統(tǒng)本身的服用性。香港理工大學陶肖明教授課題組在《科學通報》“香山科學會議”專欄發(fā)表評述文章“織物電子器件及系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、科學問題、核心技術和應用展望”，闡述了不同類別織物電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一些關鍵科學問題，并結合在研發(fā)及實施工程化產業(yè)化過程中的切身體會，介紹了織物電子器件和系統(tǒng)方面的核心技術及其應用前景。

　　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)行器在柔性機器人、智能感應、醫(yī)學輔助治療、能量收集和轉換等領域得到廣泛應用。與剛性的傳統(tǒng)執(zhí)行器相比，撓性/柔性形狀促動器具有高柔韌性、質輕和高安全性的優(yōu)點，能夠通過機織縫紉或直接涂覆功能材料在織物上等技術集成織物執(zhí)行器。

　　織物顯示器：近年來，有機電致發(fā)光裝置如有機發(fā)光二極管(OLED)和聚合物發(fā)光電化學電池(PLEC)蓬勃發(fā)展。無機發(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的結構示意圖; (c) 纖維型PLEC的結構示意圖; (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基板加入導電紗線，可以戴在人體上，具有薄、輕 便、堅固的特性，以及易于集成到柔性電路中等特點。

　　產能和儲能器：織物發(fā)電機系統(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理收集人類活動和周邊環(huán)境中的能量。

　　除上述柔性器件外，織物電子系統(tǒng)還必須包括信號調制模塊、計算器、存儲和無線通訊模塊等微電子器件。

　　廣泛的應用前景

　　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)在地域和時間方面的限制，舒緩醫(yī)療行業(yè)的壓力?？椢镫娮尤嵝詼y量技術可監(jiān)測人體生理參數(shù)，如心電、腦電、運動特征等，從而判斷人體當前的生理狀態(tài)，并建立數(shù)學模型，對跌倒、損傷、突發(fā)性疾病或其他高風險狀態(tài)提供監(jiān)測或預警。除了遠程監(jiān)測，遠程治療也成為織物電子的一大發(fā)展趨勢。根據(jù)遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)或反饋，可以遠程控制織物電子器件進行遠程治療，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)測和治療，增加其療效，尤其是在心理治療方面。

　　運動監(jiān)測和輔助訓練：智能運動服裝可以獲取人體和周邊環(huán)境的信息，建立更進一步的保護機制，如避免因過度運動和不當運動造成的損傷。這些智能設備也可以應用到運動員的日常訓練中。例如，Tao研究組在其開發(fā)的織物應變傳感器基礎上開發(fā)了一套無線、柔性可穿戴的上臂原位測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過監(jiān)測上臂圍度變化和變化率等建立了其與肌肉收縮/放松的定量關系，有望用于舉重運動員的日常力量訓練。

　　智能防護：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其進行分析和判斷，獲得使用者自身的健康狀況和所處環(huán)境的風險。嵌入不同的電子系統(tǒng)可使其具備不同的防護功能。例如，嵌入氣體傳感器可以檢測環(huán)境中的有毒害物質，預防化學危害; 嵌入定位傳感器可檢測服用者的地理位置; 嵌入溫濕度傳感器可以檢測環(huán)境中的溫度濕度等。當發(fā)現(xiàn)高風險情況，可以及時對用戶提供預警信號或啟動保護方案。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)出求救信號和定位信號，甚至還能提供適當?shù)谋Ｗo措施，避免多次傷害。

　　增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實：互動式織物電子器件具備優(yōu)異的性能和獨特的特點，如質輕、靈活、可大變形等，能為增強現(xiàn)實(VR)/虛擬現(xiàn)實(AR)應用提供更貼身、更舒適的用戶體驗。另外，運動跟蹤和姿勢識別是織物增強/虛擬現(xiàn)實設備的常用功能?？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。Shu將柔性織物壓力傳感器集成到織物鞋墊開發(fā)了一套智能可穿戴系統(tǒng)，可測量足底壓力分布和分析使用者步態(tài)。同時，該鞋墊與普通鞋墊相似，使用者不會產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)進行微氣候控制，以增強可穿戴VR/AR系統(tǒng)的沉浸感，該可穿戴式散熱器與運動跟蹤手套相結合展示了在虛擬環(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，包括心電圖、眼電、腦電圖和肌電圖，也被作為VR/AR系統(tǒng)的輸入端來研究。目前，雖然VR/AR系統(tǒng)還不能完全由織物電子構成，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)實控制的智能手套

　　控制微氣候的織物及其在虛擬現(xiàn)實中的應用

　　科學問題與核心技術

　　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、結構、集成等方面存在巨大的差異。同時，對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、交叉兼容性和標準，在設備適用性、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構)、系統(tǒng)集成的多物理場、復雜多變的應用環(huán)境等特點，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)過程中存在的一些亟須探索和解決的科學問題，包括:

　　(1) 建立柔性功能材料和結構的測量和表征系統(tǒng)

　　(2) 建立適用于織物電子器件的機理和數(shù)學模型

　　(3) 建立織物電子器件的多物理場耦合效應分析及其對性能的影響

　　(4) 建立織物電子器件和系統(tǒng)的評價系統(tǒng)

　　(5) 織物電子的生物、信息安全問題

　　(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成的壓力傳感器示意圖。(c) 該壓力傳感器的實物照。(d) rGO涂覆的棉紗。(e)用rGO涂覆的棉紗通過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織物中構成的柔性熱電器件

　　與這些科學問題相對應的功能材料和制備工藝、織物器件的結構和功能理論及表征方法、紡織器件和電子器件的異質集成設備和工藝、紡織電子器件及系統(tǒng)的工程設計軟件、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)質量保證體系成為了織物電子發(fā)展的核心技術。

　　(a) 機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，需要針對織物的優(yōu)勢研發(fā)柔性執(zhí)行器等新型織物器件;應促進光電傳感器件和系統(tǒng)的微小化集成，對織物電子異質混合系統(tǒng)集成的研究需要加強;增加對設備、 工藝和質檢系統(tǒng)的研究，提高織物電子產品生產的一致性，逐步建立標準;應充分重視織物電子系統(tǒng)的應用場景研究，包括跨學科的應用場景研究，如健康醫(yī)療、人工智能、智能防護、運動監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等，大力推進織物電子的應用。能否成功應用決定了織物電子技術是否能成為主流科技，對該領域的長遠發(fā)展極為重要。

本文來自《科學通報》

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