东华大学，Science正刊

智能纺织品为将科技融入日常生活提供了一个理想的平台。然而，目前的纺织电子系统通常依赖于刚性硅组件，这限制了无缝集成，能源效率和舒适性。由于缺乏动态能量转换载体，无芯片电子系统仍然面临数字逻辑的挑战。

2024年4月4日，东华大学王宏志、侯成义及张青红共同通讯在Science在线发表题为“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”的研究论文，该研究提出了一种无芯片体耦合能量交互机制，用于环境电磁能量收集和单光纤无线信号传输。

这种光纤本身可以实现无线视觉数字交互，而不需要在纺织品上安装额外的芯片或电池。因为所有的电子组件都融合在一个微型纤维中，这有利于可扩展的制造和与现代编织技术的兼容性，从而实现多功能和智能服装。该研究提出了一个可能解决硅基纺织系统问题的策略。

人类有一种内在的互动需求，而服装作为个人与环境之间的沟通手段，使其成为这种互动的主要元素。随着可穿戴技术的进步，数字设备支持的纺织电子产品逐渐成为扩大这种互动类型的手段。纺织电子系统旨在为纺织品或纤维组件配备电子功能，用于传感、计算、显示、和通信。这些系统通常包括但不限于传感器和执行器设备、能量存储和收集器以及基于硅的处理器。然而，这种基于冯·诺伊曼架构的智能纺织品模块化电子系统对无缝集成、能源效率和穿着舒适性(12,13)提出了挑战。这些挑战的出现是因为当前的架构-包括无线模块，微处理器和模数转换器(ADCs) -依赖于本质上刚性的集成电路芯片(刚度:107至109N·m−1;曲率半径:10−6~ 10−3m)，功耗高，无法与软纤维和纺织品无缝对接(刚度:103~ 105N·m−1;曲率半径:10−3~ 10−2m)。因此，模块化纺织电子产品的范式转变是必要的，需要一种全新的无线能量交互机制，可以满足日常生活的需求，无电池、无芯片、可洗涤、可纺织。

为了实现上述愿景，研究人员试图开发一种非冯·诺伊曼架构，使电子组件集成到单个光纤中。纤维本身可以执行无线传输，感官处理和反馈的角色，使其成为电子纺织品的基石。如果要以无线和无芯片的形式实现基于芯片的纺织系统的一个或多个交互功能，主要障碍如下。(i)能量相互作用：在一根光纤中，同时约束和辐射能量或电信号似乎是一个悖论，因为不存在能量相互作用机制，可以在振荡和约束电荷对之间动态切换，正如以前在光纤电子学中所认识的那样。

在纺织品的拓扑结构中，相邻的电子纤维暴露在相同的电磁环境中，依靠周围电子纤维的感应电磁场来转换电荷对状态是很困难的。(ii)对于信号调制：目前的信号调制原理依赖于复杂的模拟电路和众多的电子元件，这些元件很难集成到常用的软光纤中。热拉伸技术为数字光纤的制造提供了解决方案。然而，考虑到芯片尺寸在毫米尺度上的限制，通过嵌入芯片来实现数字光纤直径的进一步缩小变得具有挑战性。此外，基于数字的电子接口不是裸眼可读的，也不是人为可调的，阻碍了面向用户的智能纺织品的沉浸式交互体验。

体耦合交互光纤的设计与原理（图源自Science）

该研究提出了一种用于光纤电子的身体耦合能量相互作用机制，该机制利用交互对象本身-人体-来耦合周围的电磁能量。这种体耦合光纤电子技术可以在体与电子光纤之间产生束缚电荷对，这种束缚电荷对可以在束缚态和辐射态之间交替，用于传感信号的无线发射。此外，还在光纤天线中引入了电场敏感的发光介质，以提供人类可读的反馈，并将传感器和效应器统一在单个光纤上。这种集成设计策略将纺织品从芯片，电池和任何其他刚性组件中解放出来，允许所有电子组件集成在微型纤维中(柔软度：0.095 cN·cm2；细度：300毫米)，使其与日常纺织品相当。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk3755