新型電子織物：自供電、可洗滌、靈敏度高！

導讀

近日，來自中國科學院北京納米能源與系統研究所、中國科學院大學、重慶大學、北京服裝學院、服裝材料研究開發與評價北京市重點實驗室、美國喬治亞理工學院的科研人員開發出一種新型電子織物，它不僅可以實現自供電，而且還是高度靈敏及可洗的。

背景

電子織物（E-textiles），有時也被稱為「智能服裝」、「智能織物」，目前是一個非常熱門的話題，它通過創新的方式促成傳統紡織行業與新興電子行業的融合。

簡單說，電子織物既可以由各種各樣的導電材料製成，例如導電纖維、導電紗線、導電塗層、導電刺繡圖案和導電疊片，也可以帶有各種電子元器件，例如感測器、集成電路、LED、OLED、電池等等。

首先，讓我們回顧一下以往介紹過的有關「智能織物」的經典研究案例：

1）韓國科學技術院（KAIST）電氣工程學院教授 Kyung Cheol Choi 領導的科研團隊通過將OLED（有機發光二極體）集成到織物中，開發出了世界上最具柔性，可靠性最高的可穿戴顯示器。

（圖片來源：KAIST）

2）美國俄亥俄州立大學的研究人員以0.1毫米的精度，將電路綉進布料中。如此高的精度，有望實現將感測器、內存等電子設備集成到衣物中。

(圖片來源：俄亥俄州立大學)

3）美國北卡羅來納州立大學開發出一種兼具柔性和彈性的觸敏纖維，它可以檢測到觸摸、張力與扭曲，可作為電子設備的人機交互介面，應用於智能織物與可穿戴電子設備等多個領域。

（圖片來源：北卡羅來納州立大學）

4）美國華盛頓大學開發出一種新型智能織物，它可以製成智能衣服，存儲不可見的密碼，用於打開公寓或者辦公室的大門；或者縫到手套的指尖部位，用於智能手機的手勢控制。

（圖片來源：Dennis Wise/華盛頓大學）

5）美國德雷塞爾大學的一組研究人員設計出一種類似織物材料的電極，用它可以製作成能量存儲設備，例如電池和超級電容，更加快速、更不易泄露或者發生災難性崩潰。

（圖片來源：德雷塞爾大學 ）

6）谷歌公司的提花布Jacquard項目，該項目在紡織品內編織導電紗線，使衣服具有觸摸敏感性與交互性，如同觸摸屏一般。

（圖片來源：谷歌）

7）瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）科學家們採用一種簡單快捷的方法製造出超彈性、多元材料、高性能的纖維。這種纖維可作為感測器用於機器人手指和智能衣服。

（圖片來源：JAlban Kakulya / EPFL）

8）英國劍橋大學、中國、義大利的研究人員展開合作，利用傳統的噴墨列印技術以及廉價、安全、環境友好的石墨烯油墨，將可洗、可拉伸、透氣的電子電路直接印刷到織物上，為未來智能織物和可穿戴電子設備的製造又帶來了一種新方案。

（圖片來源：Felice Torrisi）

9）瑞典科學家開發出一種能將動能轉化為電能的壓電織物，織物受到的負荷越大，變得越濕潤，產生的電力也越多。

（圖片來源：Johan Bodell / 查爾姆斯理工大學）

10）新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）的科學家設計出一種織物般的電源，它經過剪切、摺疊或者拉伸後並不會喪失功能。

（圖片來源：新加坡南洋理工大學）

11）美國喬治亞理工學院的研究人員開發了一種纖維織物，可以同時從陽光和運動中得到能量，為可穿戴設備、智能手機、智能設備等電子產品供電，且成本低廉，可進行規模化生產。

（圖片來源：喬治亞理工學院）

12）美國得克薩斯大學達拉斯分校（UTD）和韓國漢陽大學科學家領導的國際科研團隊開發出最新的高科技紗線「Twistron」，它可以在自身被拉伸或者扭轉時產生電能。

（圖片來源：UTD）

通過以上豐富的案例，我們能夠充分領略電子織物的諸多功能，例如：信息顯示、信息通信、信息存儲、人機交互、能量存儲等等。未來，電子織物勢必在可穿戴電子、智能硬體、感測器、物聯網、醫療等多個領域起到越來越重要的作用。

創新

今天，讓我們再關注一項有關「電子織物」的創新研究案例。

近日，來自中國科學院北京納米能源與系統研究所、中國科學院大學、重慶大學、北京服裝學院、服裝材料研究開發與評價北京市重點實驗室、美國喬治亞理工學院的科研人員開發出一種新型電子織物，它不僅可以實現自供電，而且還是高度靈敏及可洗的。

（圖片來源：美國化學學會）

相關研究論文發表於《ACS Nano》雜誌。研究人員包括：Ran Cao、Jiaona Wang, Hengyu Guo, Congju Li 等人。

技術

電子織物並不是新概念，但是現有的大多數版本具有以下缺點：透氣性差，無法洗滌，成本太高、難以量產。因此，科研人員們開發的這種新型電子織物，旨在克服以上所有這些限制因素，而且對於人類的觸摸具有高靈敏度。

研究人員們通過將導電的碳納米管電極陣列沉積到尼龍織物上，製造出一種自供電的摩擦電納米發電機。為了使得電子織物變得可洗，他們將聚氨酯材料（polyurethane）混合到碳納米管油墨中，使得納米管牢牢地附著於織物。他們用一塊絲綢覆蓋電極陣列，並將織物做成腕套。當手指通過不同的方式在電子織物上划動時，電子織物將會產生與計算機耦合的電信號來控制程序或者家用電器，例如打開房間另一側的燈、風扇或者微波爐。

價值

根據研究人員的說法，這種電子織物不僅對人類皮膚來說是透氣的而且可以洗滌，此外量產成本也較低。由此看來，這種電子織物未來有望為可穿戴設備、智能家居、物聯網等領域帶來新的應用。

關鍵字

智能織物、人機交互、可穿戴技術、智能硬體

參考資料

【1】https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2018/acs-presspac-june-13-2018/e-textiles-control-home-appliances-with-the-swipe-of-a-finger-vi.html

【2】Ran Cao, Xianjie Pu, Xinyu Du, Wei Yang, Jiaona Wang, Hengyu Guo, Shuyu Zhao, Zuqing Yuan, Chi Zhang, Congju Li, Zhong Lin Wang. Screen-Printed Washable Electronic Textiles as Self-Powered Touch/Gesture Tribo-Sensors for Intelligent Human–Machine Interaction. ACS Nano, 2018; DOI: 10.1021/acsnano.8b02477

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