當穿衣遇上科研—今年以來NS系列頂刊“教”你穿衣服

?引言

當我們暢想如何構建未來生活時，性能強大的新型織物肯定是必不可少的一環。在未來，衣服一類的織物不再只有日常屬性，它們可以作為“行走的空調”，隨時隨地調節人體周邊的溫度，還能收集能量成為“發電機”或者“通訊設備”；也可以是強化部件，是你變得“力大無比”，又或者保護你不受外界攻擊。如今，以微軟、三星為代表的科技巨頭都紛紛加入智能織物技術的開發，代表著智能織物將引領未來智能生活的發展。那就讓我們來看看，近期科學家們在智能織物領域又發揮了怎樣的奇思妙想吧！

微軟關于智能織物的新專利（圖片來源于Patently Mobile網站）

Science：降溫最高可達4.8℃！炎熱夏日也可以盡情享受戶外活動

隨著全球變暖加劇，室外溫度不斷提高，暴露在戶外環境中的人們如何實現零能耗防護成為研究熱點。個人熱管理（PTM）作為一種新興技術，能夠對人體周圍小范圍內的微環境進行局部熱量調控，在降低能耗的同時，按照需求調節制冷和保溫功率，從而實現高效熱舒適。然而，能源消耗問題和PTM系統設計的挑戰尚未解決。輻射制冷是克服這些障礙的一種很有前途的制冷技術，其通過大氣透明窗口將熱量直接輻射到外層空間，以實現零能耗的被動制冷。近年來，利用納米光子結構（如光子晶體、超材料和隨機介質）同時增強太陽反射與中紅外熱輻射的日間輻射制冷裝置和系統已被廣泛研究。然而，迄今為止的大多數輻射制冷結構（薄膜或涂層等）仍具有較低的可穿戴性，限制其直接應用于PTM系統。作為保護皮膚免受外部環境影響的主要媒介，織物是實現日間輻射制冷個人熱管理的絕佳選擇。基于輻射制冷的個人熱管理織物，將通過強烈反射太陽輻射阻擋熱量輸入，同時在中紅外波段強烈輻射熱量，以維持日間陽光直射環境下的有效制冷，有望顯著提高人體熱舒適。且整個過程中不需要外部能量輸入，從而具備傳統耗能熱管理技術所不具備的優點。

用于日間輻射冷卻的超材料織物示意圖

華中科技大學陶光明教授和浙江大學馬耀光教授（共同通訊作者）將被動輻射制冷結構引入個人熱管理技術，有效地保護人體免受日益加劇的全球氣候變化的影響。具體來講，作者設計了一種具有分級形態結構的超材料織物，織物主體由氧化鈦-聚乳酸（TiO₂-PLA) 復合纖維編織而成，其上層壓了一層厚度約為50?μm的聚四氟乙烯 (PTFE) 服裝膜。超材料織物在太陽輻射波段（0.3-2.5μm）具有92.4%的反射率，在中紅外波段（8-13 μm）具有94.5%的發射率。同時，通過可批量生產的工業紡織品制造路線，織物展現出可與商業服裝比擬的機械強度，防水性和透氣性，并具備高效的輻射冷卻能力。實際應用測試表明，與商用白色棉織物相比，使用本文的超織物對人體皮膚表面最高降溫可達約4.8℃（廣州，2020年12月7日）。這項技術基于結構設計，精準化光學響應，使黑體輻射趨于極限，驗證了優異的輻射制冷效果，具備低成本、可規模化制備和產業化等優勢。

文獻鏈接：https://science.sciencemag.org/content/373/6555/692#BIBL

Nature：可以充當顯示器的織物

顯示器是現代電子產品的基本構件。將顯示器集成到紡織品中，制備出智能電子紡織品，這無疑將改變我們與電子設備的交互方式。顯示紡織品是人機交互的橋梁，例如，為有語音或言語障礙的人提供實時交流工具。此前已有報道稱，電子紡織品能夠進行通信、感知和供電。然而，電子紡織品的結構不同于傳統的薄膜器件，例如目前用于構造柔性顯示器的有機發光二極管(OLEDs)。一方面，紡織品由纖維編織而成，形成粗糙多孔的結構，可以變形并貼合人體輪廓。另一方面，有機電致發光器件是通過在陰極和陽極電極之間沉積多層半導體有機薄膜制成的，一般基于玻璃或塑料等平面襯底。因此，當將其附著在粗糙和柔軟的紡織品表面時，這些薄膜器件性能通常容易隨著時間發生衰減甚至失效。另外，在適于編織成柔性顯示紡織品的纖維上沉積有機薄膜也是非常困難的，因為這些薄膜機械穩定性較差，無法承受編織過程中的摩擦。用于制造有機發光二極管的蒸鍍工藝也不適于纖維電極的規模化連續制備。更重要的是，因為有機發光二極管的發光依賴于陽極和陰極之間的載流子注入和傳輸。因為有機電致發光器件中的光發射取決于陽極和陰極之間的載流子注入和傳輸，所以編織經線和緯線不能在電極和半導體層之間提供充分的歐姆接觸使其有效發光。雖然光纖、聚合物發光電化學電池纖維和交流電致發光纖維等纖維狀的發光器件可以編織成發光織物，但它們通常顯示預先設計好的圖案。這就導致很難像計算機和移動電話顯示器一樣，根據輸入的數字信號實時動態地獨立控制像素點，這極大限制了它們的實際應用。

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顯示織物的結構及其電致發光性能

復旦大學彭慧勝/陳培寧團隊（共同通訊作者）報告了一種6 m長，25 cm寬的大面積柔性顯示織物，其中包含約5×10⁵個電致發光單元，它們之間的間隔約為800 um。編織導電緯線和發光經線纖維在經緯交織點形成微米級電致發光單元。有效克服了發光活性材料在高曲率纖維表面均勻連續負載的難題，揭示了交織點曲面界面形成均勻電場的獨特機制。電致發光單元之間的亮度偏差小于8%，即使在織物彎曲、拉伸或擠壓時仍舊保持穩定。該顯示織物柔軟透氣，可經受反復的機器洗滌，可有效滿足實際應用要求。進一步將織物顯示、鍵盤和電源等模塊有效集成，構建得到柔性織物顯示系統，可以作為一種新型、便捷的通信工具，在物聯網、人機交互、智能通訊等新興領域顯示了巨大的應用潛力。該方法可將電子器件制備和織物結構與編織方法有效結合，有望推動柔性電子領域的交叉融合發展。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8

Nature：鎖子甲也可以變得很智能

智能織物是一類可以感知、響應環境刺激來改變其性質、測量以及對外通訊的可穿戴材料。他們的應用領域通常包括醫學監測、可穿戴計算和能量富集等。這類材料一般通過將柔性電子電路（用于感知和計算）、相變材料（用于熱調節）或者光伏材料（用于太陽能富集）集成到傳統織物上而得到。一旦這類織物成功制備，它們都是固定無法變形的。而對于力學性質可調的織物，目前幾乎未見研究報道。這類機械可適應織物能夠對人體產生機械反饋，從而完成關節輔助、觸覺等功能，有望拓展智能織物的應用領域。

智能鎖子甲形變可重構性、可調的抗沖擊性及其應用

加州理工學院的Chiara Daraio（通訊作者）團隊通過將三維顆粒（可互鎖的空心八面體）集成到層狀鎖子甲中設計了一種具有可調彎曲系數的新型結構化織物（structured fabrics）。這一新型鎖子甲由尼龍塑料聚合物3D打印而成，可以改造適應復雜的形狀，而一旦進行真空包裝后，其會轉變成剛性結構，這是因為三維顆粒會發生互鎖行為并導致鎖子甲被固定（堵塞轉變，jam）。研究展示了只需很小的外部壓力（93千帕左右），鎖子甲片層就會變得十分堅硬，其硬度比松弛狀態下要高出25倍。作者認為，抗彎強度的極具增加源于互鎖顆粒具有很高的抗拉強度。研究進一步使用離散元模擬來尋找鎖子甲微觀結構與宏觀性質的關系并以此解釋實驗測量現象，發現由非凸（convex）顆粒組成的鎖子甲在經歷堵塞相轉變時可以用特征冪律函數來進行描述。這一工作可推動輕質、可調控織物在可穿戴外骨骼等領域的應用發展。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03698-7

Nature：穿在身上的纖維鋰離子電池

為了讓紡織電池在便攜式和可穿戴電子產品中得到廣泛應用，我們必須能夠大規模生產柔韌、安全、可清洗的纖維電池線軸。目前的主流方向是制造直徑為數十至數百微米的纖維鋰離子電池（FLIBs），這樣它們就可以很容易地編織到可穿戴和透氣的紡織品中，以滿足各種可穿戴電子產品的電力需求。在過去的十年中，努力探索了制造電化學性能越來越好的FLIBs的方法。然而，迄今為止獲得的纖維只有幾厘米長，基于整個電池質量的能量密度很低（<1 Wh kg^-1）。這種短的FLIBs是不實用的，因為連接它們的附件會損害纖維的能量密度和穩定性。例如，水/氧侵入，電解質泄漏或機械故障都可能發生在這些連接處。大規模生產長的FLIBs，同時保持高性能和長度仍然是一個巨大的挑戰。

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FLIBs紡織品的應用

在復旦大學彭慧勝教授和陳培寧副研究員（共同通訊作者）團隊帶領下，研究了這種纖維的內阻與纖維長度呈雙曲余切函數關系，隨著纖維長度的增加，內阻先減小后趨于均勻。研究證實，這種意想不到的結果適用于不同的纖維電池。通過優化可擴展的工業流程，能夠生產數米的高性能纖維鋰離子電池。根據包裝在內的鈷酸鋰/石墨全電池的總重量，大規模生產的纖維電池的能量密度為每公斤85.69Wh（典型值小于每公斤1Wh）。經過500次充放電循環后，其容量保持率達到90.5%，1C倍率下的容量保持率達到93% （與0.1C倍率容量相比），可與軟包電池等商業電池相媲美。纖維彎曲10萬次后，可保持80%以上的容量。團隊還展示了工業劍桿織機將纖維鋰離子電池編織到安全且可清洗的紡織品中，可以為手機無線充電，或為集成了纖維傳感器和紡織品顯示器的健康管理夾克供電。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03772-0

Nat.?Sustaubability：具有成熟制造工藝的環保面料

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聚乙烯纖維形成環保面料

聚乙烯已經涌現成為一種在可穿戴織物領域頗具前景的聚合物材料，其具有高度的紅外光透明性和可調的可見光不透明性，不但可以通過熱輻射對人體進行降溫，還有望為建筑制冷節約巨量的能源。近期，麻省理工學院的Svetlana V. Boriskina（共同通訊作者）課題組發表文章，展示了單一材料的聚乙烯面料可以作為傳統織物的可持續性、高性能替代物。聚乙烯面料具有超輕質、材料成本低、可再循環特點。工業材料可持續性（Higg）指數計算則預測了聚乙烯面料在生產階段對環境不會造成重大的影響。作者構建了聚乙烯纖維、聚乙烯紗線和聚乙烯面料，可實現高效吸水和快干功能，并可進一步與其防污性能結合，可在使用階段盡可能地降低能量和水的消耗以及對環境的影響和破壞。與其他研究所展示的納孔聚乙烯材料不同，作者所提出的高性能聚乙烯面料的由紡織工業的標準設備通過纖維熔融紡絲和編織制造而成的，無需任何化學涂層。不僅如此，作者還闡釋了這類聚乙烯紗線可以通過環境友好型旋轉染色（spin-dyeing）技術進行著色，可以避免產生大量有毒廢水。同時，在旋轉染色過程中，纖維不僅可以通過傳統染料進行著色還能通過新型無機納米顆粒染料進行著色，從而可以在循環階段通過自動化紅外掃描進行分類回收再利用。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-021-00688-5

?Nat.?Electronics：利用紡織品學習人-環境相互作用

基于紡織物的觸覺學習平臺

對觸覺交互進行記錄、建模和理解在人行為研究和發展健康醫療、機器人應用方面是非常重要的。然而，由于現有的可穿戴傳感器界面在性能、柔性、可擴展性以及成本方面開發還十分有限，這類研究一直極具挑戰。針對這一挑戰，麻省理工學院的Yunzhu?Li、Wan?Shou、Antonio?Torralba以及Wojciech?Matusik（共同通訊作者）等人聯合提出了一種基于紡織品的觸覺學習平臺，可以用以記錄、監測和學習人-環境相互作用。作者通過對低成本的壓阻式纖維進行數碼機器編織，可以形成任意的三維幾何。為了保證這一紡織系統不受單個傳感器變量影響，作者使用機器學習技術感測糾正和校準。在這一平臺的幫助下，作者捕捉了各種人-環境相互作用（超過一百萬種觸覺框架），并且展示了人工智能賦能的感測織物可以對人的坐姿、運動和其他與環境的相互作用進行分類。此外，作者也展示了該平臺可以復原動態的全身姿勢，從而有助于揭示環境空間信息和探索生物機械信號。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00558-0?

Nat. Commun.：集成電子電路功能織物制備新方法

近年來，人們在尋找將電子器件與日常衣物集成一體的方案上取得了不小的研究進展。人們甚至開始夢想制造終極的“織物計算機”，既可以合身穿著，又可以完成包括環境/生理感知、信息轉導、數字化/邏輯計算以及無線數據傳輸等一系列功能。近來，具有纖維或者織物形狀的能量/傳感器件也獲得了極大的關注。然而，大多數這些柔性器件的集成電子電路仍然建立在硬性的印刷電路板（PCB）上，目前亟需發展可編織織物替代方案來優化電子器件與織物的集成。

非打印集成電路織物的設計

重慶大學范興和Nannan?Zhang、中科院重慶綠色智能技術研究所張煒教授以及哈佛大學Xingcai Zhang（共同通訊作者）等人合作，突破PCB工藝的限制，通過全編織的方法實現了一種用于生物醫學和治療診斷應用的非印刷型集成電路紡織品?(NIT)。在這一紡織品中，所有器件都以纖維或者交織節點的形式建造，并被進一步編織形成可變形織物集成電路。基于電化學選通原理（electrochemical gating principle），這一纖維編織型晶體管展現出了優異的彎曲或者拉伸性能，并且還可以進一步編織形成織物邏輯計算模塊，以處理不同的突發事件。作者利用應變和光傳感器纖維編織纖維型汗水傳感器，可同時監測身體健康及其環境。利用基于詳細能量消耗分析的光可充電能量織物，編織的電路織物可完全實現自供電的無線生物醫學監測和早期預警。作者認為，NIT可被用作24小時待命私人AI“護士”實現日常的衛生保健、糖尿病監測以及處理低血糖等突發情況。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25075-8?

Nat.?Commun.：可穿戴微型電網

為了滿足日益增長的可穿戴電子器件的供能需求以及避免頻繁、易受打斷的有線傳輸，可穿戴系統需要和包括太陽能電池、生物燃料電池等能量富集裝置進行集成，以保證其可自我維持的運行。盡管能量富集和存儲器件的發展十分迅速，但將其合理集成到高效、自主和可持續的可穿戴系統中至今還未得到廣泛的探索和研究。

多模塊能量微型電網系統的概念及其設計

加州大學圣地亞哥分校的Joseph?Wang（共同通訊作者）團隊闡釋了一種多模塊生物能量微型電網系統，并基于此發展了e-紡織品微型電網（e-textile microgrids）的概念及設計原則。與一般的雜化可穿戴系統不同，這一e-紡織品微型電網具有汗水生物燃料電池、摩擦電發電機和超級電容器，僅僅依靠人體活動就可以協同富集生物化學能量和生物力學能量，同時調節能量用于高功率輸出。通過平衡能量，e-紡織品系統可以有效持續對脈沖實現液晶顯示或者汗水傳感-電致變色顯示，在10分鐘運動過程中其啟動時間可減半而運行時間可提高3倍。研究相信，這一織物基的生物能量微型電網可以為設計和運行高效、可持續和自主的可穿戴系統提供思路和巨大的機會。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21701-7

本文由NanoCJ供稿。

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