重庆大学范兴教授
文/胡月
我们每天的生活越来越离不开电脑、手机等电子终端设备。随着下一代移动信息网络、智能大健康等新兴战略性产业发展,新型穿戴式电子终端已成为未来技术发展的一大趋势。
然而,传统电子器件通常是在印有导电图案的平板基底上沉积半导体薄膜组装而成。不同的电子元器件被进一步安置在印有电路图案的平板基底上,形成集成电路板。这种平板结构电子器件及集成电路模块,导致现有穿戴式电子设备的应用形态大多偏重于“戴”而非“穿”,主要仅限于小型外饰配件及可弯曲贴片等,缺乏像人类自然穿着的衣服一样柔软、可变形、透气吸水、可洗涤等舒适功能。尤其是在健康生活及医疗电子等领域,平板结构类型的电子设备容易引起穿戴者的心理障碍,并影响长期穿戴使用。
近年来,纤维及织物结构的柔性电子器件得到了广泛关注。其不仅能实现与传统电子器件相同的电子功能,而且外观与普通布料相似,透气透湿、可弯曲拉伸、适合人体穿戴,还可与其它纤维器件共捻共织,形成无须外充电的集成织物,从而像普通布料一样穿戴在人身上,进行24小时的日常健康监控或应急援助,甚至有一天可能会促使我们的手机、电脑等变成穿在身上的布料。
目前,国内外研究者已通过在金属丝、碳基纤维、导电高分子纤维乃至包裹了导电材料的高分子纤维上,沉积一层或多层半导体材料,开发了系列纤维结构的功能电极。这些纤维结构的功能电极,可进一步与其它导电纤维或者其它纤维功能电极一起并排组装、相互缠绕或者交错编织,从而构成纤维或织物结构的柔性电子器件,包括电容器、光伏电池、储能电池、传感器以及晶体管等。
我国在纤维及织物结构电子器件领域的研究一直处于国际前沿水平。早在2008年,北京大学邹德春教授课题组就报道了一类纤维结构的新型太阳能电池。他们在金属丝上沉积N型半导体的纳米颗粒或纳米线阵列,并包覆P型半导体或电解质凝胶等,然后与金属丝、碳纤维等捻线缠绕,组装了一类纤维结构的新型太阳能电池。其只有头发丝粗细,却可像普通光伏电池板一样采集阳光发电。
2016年,我们课题组在镀金属锰的高分子纤维上先后沉积N型半导体层及P型半导体层,并以此为纬线,以细铜丝作经线,通过类似飞梭织布的方式直接交错编织,组装了一类织物结构的新型光伏电池。我们还将其与纤维结构锌锰二次电池共同编织,形成可光充电的织物结构柔性电源。尽管外观就像一块普通布料,但是其可以像充电宝那样直接对手机充电。
2021年,我们课题组进一步提出了一种改变游戏规则的解决方案,即是开发一种可替代印制电路板的非印刷型的集成电路纺织品。它不仅包括了多种纤维结构的电子元件,而且在其机织图案中拥有一个完整的电路。电路中包括了纤维结构的汗液传感器、压力传感器和光传感器等,可同时监测人体健康和环境;纤维编织结构的晶体管单元被编织成逻辑计算模块,可以通过逻辑运算区分不同的紧急情况,并进行无线报警信号的编码发送;基于对纤维织物结构光伏电池及储能电池模块的功耗分析及设计,这种编织电路可以通过采集阳光实现不间断工作,从而用于人体日常保健中的智能无线监测,以及糖尿病监测、或低血糖、代谢性碱中毒等紧急情况的预警,成为一名全天候的私人智能“护士”。
畅想未来,智能电子织物将以一种更休闲更普通的形象展现在人们面前。一件看似普通的休闲装,通过融合在肩部、关节或身体任何部位的纤维电子元件,可监测环境变化,判断人体出汗和运动状况等是否合理,或者通过移动云端反馈给医护人员,针对婴儿、老年人、康复者等不同人群定制健康计划,并反馈给朋友或家人。智能纺织品还可以像计算机一样智能地控制各种人机交互及人体辅助设备,帮助普通人高效率的学习、运动、工作等。
