IF:40.4，4.2万字！东华大学朱美芳院士/严威教授团队CSR综述: 纤维 — 智慧之线 — 造就新一代可穿戴系统

01导读

纤维代表着将电子产品无缝集成到日常体验中的独特平台。在单纤维层面和织物内部进行功能化的进步从根本上改变了传统纤维和织物的实用性。纤维层面的材料、结构和功能的创新实现了紧密而不可察觉的集成，迅速将纤维和织物转变为下一代可穿戴设备和系统。

纤维闭环网络智能可穿戴系统示意图

02成果掠影

近日，东华大学蒙泰课题组朱美芳院士、严威教授在化学类国际顶级期刊《Chemical Society Reviews》发表题为“Fibres—threads of intelligence—enable a new generation of wearable systems”（Chemical Society Reviews, 2024; DOI: https://doi.org/10.1039/D4CS00286E）的综述性学术论文。该综述全面分析探讨了智能纤维的最新科学和技术突破，研究了塑造可穿戴电子产品未来的纤维材料、物理化学机制、制造策略、集成技术和多种新功能应用中的常见挑战和瓶颈。提出了闭环智能纤维织物生态系统，包括主动对内对外感知、交互通信、数据存储和处理、实时反馈以及能量存储和收集，旨在应对可穿戴技术中的重大挑战。最后将计算织物设想为具有系统级属性的复杂可穿戴平台，用于数据管理、机器学习、人工智能和闭环智能网络。纤维材料改性国家重点实验和材料科学与工程学院为第一单位，Chao Dang为第一作者，Zhixun Wang为共同第一作者。

03综述概览

图1 纤维的不断发展，包括材料、化学、功能和结构的进步，为一系列有前景的应用奠定了坚实的基础

作者对智能纤维织物进行了全面且具有批判性的分析，系统地讨论了活性材料、物理和化学机制、制造策略、集成技术和新功能方面的最新基础和技术进展。提供了对纤维化织物面临的关键挑战和未来机遇的深入见解，为现实多场景应用中急需的织物技术提供了应对策略，并引发了新的研究方向的思考。

图2本综述的结构框架

图4 无机和有机纤维导体材料

图7 用于设计和制造功能性纤维的纺丝技术（a）用于生产纤维电池的湿纺工艺示意图。（b）用于制造丝源离子电子纤维的干纺工艺。（c）静电纺丝直接制备陶瓷纳米纤维气凝胶示意图。。（d）陶瓷海绵吹丝工艺示意图。（e）旋转喷射纺丝工艺示意图。（f）熔体纺丝工艺示意图。

图9 用于制造电子织物和纺织品的关键技术示意图

图11环境传感（a）热拉发光和光探测纤维。（a-i）商业芯片通过热拉伸技术集成到单根纤维中。（a-ii）发光和探测光纤的工作机制示意图和（a-iii）发光纤维的图像。（b-i）压电材料声学纤维织成的声学织物。（b-ii）受人耳启发的声学纤维可探测低至40分贝的振动。（b-iii）包含一个纤维换能器（长6.7厘米）的先进声学织物。（c）由液态金属芯和弹性体包层组成的芯壳纤维。（c-i）核壳纤维能够通过时域反射和感应触摸的压力和位置，并进行实时监测（c-ii）。（d）液态金属芯纤维需要电源来感应触摸，而自供电的纳米或微图案纤维在没有电源的情况下实现感应触摸。（d-i）表面图案增强了摩擦电效应，从而扩大了触摸织物产生的电信号，并使织物具有自驱动的触摸感（d-ii）和（d-iii）。（e）一种由聚集诱导发光（AIE）分子构成的聚合物纤维，用作湿度传感器。环境湿度诱导纤维膨胀，激活AIE分子的分子内运动，产生荧光，其发射波长与湿度呈线性响应。（f）纤维温度传感器利用热致变色效应，纤维的颜色直接反映环境温度的变化。（g）一种比色气敏纱，可感应有毒气体物质并产生肉眼可读的输出信号。（h-i）在织物内嵌入光纤用于应变传感。（h-ii）用于人体呼吸监测的光纤嵌入织物。

图13交互通讯（a）用于大面积显示的发光纤维。（a-i）复杂变形下的多色显示纺织品的照片。（a-ii）多色显示纺织品的放大照片显示，EL单元均匀分布，间距为~800µm。（a-iii）未来的服装通讯可由显示纺织品实现。（b）用于人机通信的TENG纤维。（b-i）F-TENG的示意图。（b-ii）为实时按键跟踪和记录而设计的自供电可穿戴键盘系统。（c）光通信用二极管光纤，双向通信系统概念示意图。一件由一种既包含发光纤维又包含光探测纤维的织物组成的（d-i）纤维形人工光电突触（FAOS）示意图。（d-ii）“学习-遗忘-再学习”行为示意图。（e）用于近场通信的超材料织物。（e-i）可穿戴的模块化网络集成到服装中。（e-ii）衬衫和裤子上的NFC读取器接收信息。（f）用于安全射频识别的超材料织物。（f-i）超材料纺织品的结构。（f-ii）超材料织物上偶极子发射的电场分布。（f-iii）计算人体模型中无线传输的全波模拟。

图14数据存储和处理（a-i）纤维形有机人工多突触示意图。（a-ii）纤维形突触装置的光学照片。（b-i）离子结纤维的横截面结构示意图。（b-ii）+3.0 v直流偏置下的光纤形离子二极管电流图和SEBS-IM/SEBS-SN结等效电路模型。（c-i）基于纺织品的无电气动计算机原理图。（c-ii）含有流体逻辑元件的服装图像。（d-i）纺织忆阻器网络示意图，其中上层器件具有突触可塑性，下层器件具有神经功能。（d-ii）生物突触示意图，可由具有短时记忆和长时记忆的人工突触模拟。（e-i）由多功能电子纤维集成并嵌入织物的电子纺织品的示意图。（e-ii）微处理器在微纤维上的执行示意图。（f-i）数字纤维预制体的热拉伸。（f-ii）包含有100个嵌入式设备的连续数字光纤照片（左）；数字光纤阵列的放大光学图像（右）；数字纤维和硬币之间的尺寸比较图像（底部）。（f-iii）整合神经网络功能的数字纤维织物。

从主动感知和通信到数据存储和处理、实时反馈和供电的智能织物构成了基于功能纤维的可穿戴系统闭环网络。这个系统类似于人类的神经系统，传感器收集信息，神经传输数据，大脑处理信息，肌肉做出相应的反应，所有这些都是由身体的代谢能量提供动力的。同样，闭环网络中的功能光纤可穿戴系统正在彻底改变我们与数字和物理世界的交互方式，特别是在个性化医疗监控、物联网和人工智能等应用中。

04总结与展望

智能纤维织物代表了跨学科研究领域中出现的一个示范性主题，涉及物理，化学，力学，材料科学，电子和光电子，纺织工程，生物医学，数据科学等学科的结合。材料选择、纤维内部结构设计、织物结构排列集成、制造技术、系统集成和新应用方面的创新正在迅速塑造该领域。智能织物展示了非凡的能力，包括看、听、说、感觉、驱动、能量收集、存储能量、调节温度，甚至充当外骨骼和数据处理器，为先进医疗、可穿戴设备、人机界面、物联网、智能工业等领域的挑战提供了独特的解决方案。作者讨论了上述方面的共性问题、当前的研究重点和未来的展望。提出了对纤维材料、设计原则和制造技术、功能及应用场景、织物计算功能方面未来的展望。从根本上和技术上讲，具有多种功能的计算纤维织物有望成为数据管理、机器学习、人工智能和闭环智能网络的下一个前沿研究方向。

图19关于计算织物的展望：纤维材料、纤维和织物结构设计、各种制造技术、5G通信技术和人工智能技术可以集成到传统纤维织物中，从而创造出能够同时看、听、说、感觉、驱动、通信、调节温度、收集和存储能量以及存储和处理数据的计算织物。可以预见，即将到来的计算织物可以彻底改变医疗保健、航空航天、神经科学、机器人技术和元宇宙等有前景的应用。

通讯作者简介

朱美芳院士，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，“万人计划”科技创新领军人才，东华大学材料科学与工程学院院长，纤维材料改性国家重点实验室主任，《Advanced Fiber Materials》主编。主要研究纤维材料功能化、舒适化和智能化。提出有机-无机杂化制备纤维的新概念，建立了杂化纤维功能耦合和传递机制，开发了杂化纤维的连续化制备新技术。先后主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等国家及省部级科研任务30余项。以第一完成人获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖等10余项；获第五届全国优秀科技工作者、第七届中国青年女科学家奖、何梁何利科学与技术青年创新奖、桑麻基金会纺织杰出青年学者奖、中青年有突出贡献专家等荣誉称号。

严威教授，“国家高层次青年人才”，中国“35岁以下科技创新35人”（麻省理工科技评论），“上海市领军人才”，IEEE Nanotechnology Council Early Career Award（2023，全球1人）。东华大学材料科学与工程学院及纤维材料改性国家重点实验室教授、博士生导师。曾任新加坡南洋理工大学“南洋助理教授”，材料科学与工程学院及电子与电气工程学院双聘博导。美国麻省理工学院MIT博士后，瑞士联邦理工学院EPFL博士。从事智能材料、柔性电子、纤维电子与光电子、智能与计算织物的基础与应用研究。以通讯/第一作者在Nature、Nature Nanotechnology等发表论文40余篇。

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来源：高分子科学前沿

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