怎样实现将半导体融入纺织物以创造智能面料的目标

你知道吗？你的衣服可由电子设备编织而成。近日，麻省理工学院的研究人员在可穿戴技术方面取得重大突破，成功将包含了发光二极管（LED）和光敏二极管在内的高速光电子半导体器件嵌入纤维内，织成耐水洗的柔性布料，实现用布料制成一个通信系统。

这标志研究人员终于实现将半导体融入纺织物以创造智能面料的目标，同时这也填补了纺织制造业中复杂功能性面料技术的空白。研究人员预测这种纤维在未来数十年内将以指数增长的速度迅速发展。

本周，这项研究成果在《自然》上发表。作者分别是毕业于麻省理工学院的研究生Michael Rein，麻省理工学院材料科学与电子工程系的教授、面料公司Advanced Functional Fabrics of America（AFFOA）的CEO Yoel Fink，以及一个来自AFFOA、Inman Mills、洛桑联邦理工学院和林肯实验室的团队。

光纤的传统制造方法是制作一个放大版的光纤作为预制件，将预制件加热软化后，在张力下拉伸得到的光纤。

制造新型纤维的关键突破是将一个只有沙粒大小的发光半导体二极管和一对极细的铜线聚合成预制件。在将纤维的加热拉伸过程中，聚合物预制件部分液化，形成长纤维，二极管沿纤维中心轴向分布并通过铜线连接。

这个过程使用的半导体器件是由发光二极管（LED）和光敏二极管构成。在拉伸过程中，半导体和铜线尺寸保持不变，同时纤维在两者四周收缩，得到的光纤在织成整块面料后，还需要经过10次洗涤来验证其作为衣服材料的实用性。

论文的第一作者Rein说：“这种新工艺给光纤制造打开了新的思路，我们不是将所有材料以液态的形式聚合在一起，而是将金属线与颗粒状的部件聚合在一起。”

聚合功能的纤维材料本身的一个优点是天然具有防水性。为了证明这一点，该团队将一些光电探测纤维放入鱼缸内。在鱼缸外的让一盏灯以光学信号的形式将音乐传送到水中光纤。鱼缸中的光纤将光脉冲转换成电脉冲信号，最后转换成音乐。

虽然这种纤维制造的原理听起来十分简单，但要实现保质保量的规模化生产则是一个漫长而艰难的过程。AFFOA的工作人员 开发 的这种提高纤维产能的方法，为实现这种纤维的工业化生产做好了准备。与此同时，Inman Mills的Marty Ellis则开发出了一项新技术，让功能纤维能够通过传统大规模纺织机制成纺织面料。

Fink说：“这篇论文为将半导体器件结合到纤维上提供了捷径。我们预计这种纤维技术会在未来几年中高速发展。如今，我们已经能够拓展面料的一些基本功能，包括通信，照明，生理监测等。在未来几年，面料将能够提供更多的智能服务。”

Fink表示，这项技术最初的商业应用将是与通信和安全相关的产品，第一批产品将于明年进入市场。这将是第一个纺织物通信系统。他说，“我们正以前所未有的速度和规模将这项技术向国内制造商推广。从实验室研究到商业化的过程非常迅速。要实现快速的科研成果商业转化的关键是要像AFFOA一样去建立“学术－产业－政府”三方合作。”

除了商业应用，Fink说，美国国防部作为AFFOA的主要支持者，也正在探索柔性硬件面料在工作制服上的应用。

研究人员还提到，除了通信领域外，这些纤维在生物医学领域也有重要的应用价值。例如，制造可测量脉搏或血氧水平的腕带或是持续监测伤口愈合过程的绷带。