《科學》發表東華大學新成果，新型智能纖維為人機交互帶來新可能

在未來的人機交互場景中，智能可穿戴設備將實現哪些功能？ 4月5日，東華大學材料科學與工程學院先進功能材料課題組在《科學》上發表研究論文，提出了基於“人體耦合”的能量交互機制，並成功研發出集無線能量採集、信息感知與傳輸等功能於一體的新型智能纖維。由其編織製成的智能紡織品無需依賴芯片和電池便可實現發光顯示、觸控等人機交互功能，這一突破性成果為人與環境的智能交互帶來新可能，具有廣泛應用前景。

業界專家指出，該成果被認為有望改變人與環境以及人與人之間的交互方式，對功能性纖維的開發以及智能紡織品在不同領域的應用具有重要的啟發意義。在基礎研究方面，因為該智能纖維和紡織品能夠在不干擾人們日常活動的情況下不知不覺地大規模採集身體觸覺數據，因此，能夠更高效和便捷地收集人體與外界交互過程中的物理信息。這將有望影響人體物理交互研究用基礎模型的發展。

隨着科技不斷發展，智能可穿戴設備正逐漸成為我們生活的一部分，並在健康監測、遠程醫療和人機交互等領域發揮着越來越重要的作用。

論文第一作者、東華大學材料科學與工程學院博士研究生楊偉峰介紹，相較於傳統剛性半導體元件或柔性薄膜器件等，由智能纖維編織而成的電子紡織品具有更好的透氣性和柔軟度，被視為理想的可穿戴設備載體。目前，智能纖維的開發多基於“馮·諾依曼架構”，即以硅基芯片作為信息處理核心開發各種電子纖維功能模塊，如信號採集的傳感纖維、信號傳輸的導電纖維、信息顯示的發光纖維、能量供應的發電纖維等。儘管這些功能單元可組合製成織物形態，但這種複雜的多模塊集成技術還面臨著一系列挑戰。現階段，智能紡織品仍依賴於芯片和電池，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。

針對這些問題，東華大學團隊開創性地提出了“非馮·諾伊曼架構”的新型智能纖維，有效地簡化了可穿戴設備和智能紡織品的硬件結構，優化了它們的可穿戴性。該研究實現了將能量採集、信息感知、信號傳輸等功能集成於單根纖維中，並通過編織製成不依賴芯片和電池的智能紡織品，產生了“不插電”就能發光、發電的纖維。

該研究還提出，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”的新型能量交互機制。在添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。

楊偉峰表示，這款新型纖維採用的均是市面上比較常見的原材料，不僅成本低，且加工工藝成熟，已具備量產能力。當新型纖維運用於服裝服飾、布藝裝飾等日用紡織品中，它們與人體接觸時，通過發光進行可視化的傳感、交互甚至高亮照明，同時它們還能對人體不同姿態動作產生獨特的無線信號，進而對智能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。

下一階段，團隊將深入研究如何讓這種新型纖維能夠更有效地從空間中收集能量，並以此驅動更多功能，包括顯示、變形、運算、人工智能等。未來，智能服裝的功能將更加多元。

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。該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。