Nature：麻省理工将 LED和传感器直接织入纺织纤维

麻省理工学院(MIT)和美国先进功能纤维制造创新机构(AFFOA)的研究人员首次制造出了具有嵌入式电子元件的纤维，这种纤维非常柔韧，可以织成柔软的面料，也可以制成衣服。图片来源：麻省理工学院

      目前纺织品和纤维的最新发展趋势是制成可以穿戴的软硬件，即一种内置电子设备的衣物。

      麻省理工学院的研究人员现在能将高速光电半导体器件嵌入到纤维中，包括发光二极管(LED)和二极管光电探测器；然后通过美国南卡罗来纳州的Inman Mills工厂将这些纤维编织成柔性的、可清洗的织物，并植入通讯系统。这标志着通过整合半导体器件，现代电子产品的关键组分，有望创造智能面料并实现长期追求的目标。迄今为止，半导体器件一直是制造复杂功能面料的重要部分。

      研究人员称，这一发现可能会解锁纤维的“摩尔定律”，当然，该过程发展也十分迅速；随着时间的推移，纤维的性能呈指数增长，就像微芯片性能在过去几十年里的增长一样。

      麻省理工学院研究生Michael Rein在Nature（《自然》）杂志上发表了这一最新研究成果;他的研究顾问包括麻省理工学院材料科学和电气工程教授Yoel Fink，AFFOA的首席执行官，以及麻省理工学院、AFFOA、Inman Mills工厂、洛桑洛桑联邦理工学院和林肯实验室的团队。

      传统的光纤制造是利用直径为几毫米至几十毫米的光棒，即光纤预制棒，在预制棒中形成光纤的内部结构；其本质上是光纤的放大模型，加热后，在张力作用下，将软化的材料拉伸，然后把所得的纤维收集在线轴上。

      新型纤维的关键突破是使预成型发光半导体二极管尺寸有沙子粒大小、保证铜线有发丝的粗细。这样，在拉丝过程中，当在熔炉中加热时，聚合物预成型部分熔化，形成延展的纤维束，二极管沿其中心排列并通过铜线连接。

      在这种情况下，固态电子元件是使用标准微芯片技术制成的两类的二极管：发光二极管(LEDs)和光敏二极管。Rein说，“在拉丝过程中，设备和电线都维持其原有的尺寸，而周围器件的尺寸都在缩小”。将该纤维编成衣物织布，水洗10次后，证实了纤维的耐用性。

      作为本文第一作者，Rein提出了一个新的工艺概念，他认为，这种方法让我们对纤维制造过程有了新的见解，在设备中将细金属丝与颗粒混合，而不是在液态下对材料进行拉伸。

      这种功能纤维材料本身的优点是具有固有的防水性。为了证明这一点，研究小组在鱼缸中放置了一些光探测纤维。水族馆外的一盏灯以快速光学信号的形式将音乐(准确地说，是亨德尔的《水上音乐》)通过水传播到纤维上。水箱里的纤维将光脉冲转换成电信号，然后电信号又被转换成音乐。而这些纤维在水中存活了数周。

      虽然原理听起来很简单，但要始终如一地工作，确保可靠地生产大量纤维，仍是一个漫长而困难的过程。美国高级功能纤维研究所由Jason Cox和Chia-Chun Chung领导的团队研发了提高产量、吞吐量及整体的可靠性的新技术，为纤维的工业化做好了准备。与此同时，Inman Mills公司的Marty Ellis发明了一种用传统工业制造规模的织机将这些纤维织成织物的技术。

      “这篇论文将半导体器件的功能与基于纤维纺织品的可扩展性相结合。而且预计未来几年光纤中会有其特定的'摩尔定律'；面料的基本功能也会包括通信、照明、生理监测等。在未来几年，这种面料将提供增值服务，而不再局限于美观和舒适，”Fink说。 

      Fink表示，第一批采用这项技术的商业产品最早将于明年进入市场，从实验室研究到商业化的过程非常短暂。如此快速的实验室到市场的开发首先是创建像AFFOA这样的学术-产业-政府合作的关键部分。例如涉及通信和安全的专用产品的初始应用程序。而这将成为第一个织物通信系统。我们现在正在以前所未有的速度和规模，将该技术转移到国内制造商行业。

原文来自：sciencedaily，原文题目：Introducing the latest in textiles: Soft hardware，由材料科技在线团队翻译整理。