你看過穿上身就能發光發電的纖維嗎？你期待智慧型穿戴裝置實現哪些功能？對於未來的人機互動場景，你又是如何暢想的呢？根據東華大學官微，近日，東華大學材料科學與工程學院先進功能材料課題組在Science（《科學》）上發表了題為“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”的研究論文。

該研究提出了基於「人體耦合」的能量互動機制，並成功研發出集無線能量採集、資訊感知與傳輸等功能於一體的新型智慧纖維，由其編織製成的智慧紡織品無需依賴晶片和電池便可實現發光顯示、觸控等人機互動功能，此突破性成果為人與環境的智慧互動開闢了新可能，具有廣泛應用前景。

圖片來源：Science期刊插圖

據悉，這項突破性成果為人與環境的智慧互動開闢了新可能。東華大學材料科學與工程學院博士研究生楊偉峰為論文第一作者，纖維材料改性國家重點實驗室（東華大學）王宏志教授、侯成義研究員，以及東華大學材料科學與工程學院張青紅研究員為論文通訊作者。這項研究工作由東華大學作為唯一通訊單位主導完成，合作單位包括新加坡國立大學與安徽農業大學。

隨著科技不斷發展，智慧型穿戴裝置正逐漸成為我們生活的一部分，並在健康監測、遠距醫療和人機互動等領域發揮越來越重要的作用。相較於傳統剛性半導體元件或柔性薄膜裝置等，由智慧纖維編織而成的電子紡織品具有較好的透氣性和柔軟度，被視為理想的穿戴式裝置載體。

目前，智慧纖維的開發多基於“馮·諾依曼架構”，即以矽基晶片作為資訊處理核心開發各種電子纖維功能模組，如訊號擷取的感測纖維、訊號傳輸的導電纖維、資訊顯示的發光纖維、能源供應的發電纖維等。儘管這些功能單元可組合製成織物形態，但這種複雜的多模組整合技術也面臨一系列挑戰。現階段的智慧紡織品仍依賴晶片和電池，體積、重量和剛性大，難以同時滿足人們對紡織品功能性和舒適性的需求。

「人體耦合」智慧纖維的工作機制及其與傳統電子織物的對比。圖片來源：東華大學

在研究中，東華大學科學研究團隊開創性地提出了「非馮諾依曼架構」的新型智慧纖維，有效地簡化了穿戴式裝置和智慧紡織品的硬體結構，優化了它們的可穿戴性。該工作實現了將能量採集、資訊感知、訊號傳輸等功能整合於單根纖維中，並透過編織製成不依賴晶片和電池的智慧紡織品。

「不插電」就能發光發電的纖維，其中到底有怎樣的奧妙呢？在我們的日常生活中，電磁場和電磁波無所不在，散佈在環境中的這些電磁能量就是這種新型纖維的無線驅動力。而這些能量又是如何「傳遞」到纖維上面的呢？答案就是我們的身體。這項工作提出把人體作為能量交互的載體，開闢了一條便捷的能量“通道”，原本在大氣中耗散的電磁能量優先進入纖維、人體、大地組成的迴路，恰恰就是這一“日用而不覺」的原理，促成了「人體耦合」的新型能量互動機制。在增加特定功能材料以後，僅僅經過人體觸碰，這種新型纖維就會展現發光發電的「神奇一幕」。

人體耦合電磁能量收集示意圖。圖片來源：東華大學

圖片來源：東華大學

「這款新型纖維具有三層鞘芯結構，所採用的均是市面上較常見的原料。芯層為感應交變電磁場的纖維天線（鍍銀尼龍纖維）、中間層為提高電磁能量耦合容量的介電層（BaTiO3複合樹脂）、外層為電場敏感的發光層（ZnS複合樹脂）。原料成本低，纖維和織物的加工都能夠用成熟的製程實現，已具備量產能力。」楊偉峰說。

該工作還展示了這種基於人體耦合原理的智慧纖維的幾種應用：在不使用晶片和電池的情況下，實現了纖維觸控發光、織物顯示以及無線指令傳輸等功能。

侯成義研究員表示，「這種新型纖維能夠運用到服裝服飾、布藝裝飾等日用紡織品中，當它們與人體接觸時，透過發光進行可視化的感測、互動甚至高亮照明，同時它們還能對人體不同姿態動作產生獨特的無線訊號，進而對智慧家電等電子產品進行無線遙控。這些新穎的功能有望拓展電子產品的應用場景，甚至改變人們智慧生活的方式。”