劍橋酷炫新發明：卷起來，一塊布就是一個顯示屏！
撰文：吳婷婷
編審：寇建超
這，聽起來很像科幻小說的場景？
No，no，no！如今，劍橋大學的科研團隊或将讓這一切成為現實：
他們研發出了一種基于紡織物的智能顯示屏，将智能傳感器、LED 顯示器、電能收集與存儲直接集成到紡織物中，不僅能實時顯示圖表信息、交互觸摸，還能夠任意彎曲折卷，“一塊布就是一個顯示屏”。 圖｜智能紡織顯示屏可任意折疊、彎曲、卷起（動圖素材來源：Nature Communications）
據介紹，該技術首次使用完全基于纖維的制造方法，将可擴展的、大面積的複雜系統集成到紡織品中，具有集成在日常物品上、可直接投入大規模機械生産的巨大潛力。
相關研究論文以“Smart textile lighting/display system with multifunctional fibre devices for large scale smart home and IoT applications”為題，已發表在科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）雜志上。
當紡織品=電子顯示屏
随着“智能家居”“物聯網”等概念的普及，如今，智能紡織品也成為科學家們的聚焦點之一。
如果大街小巷随處可見的紡織品能充當各類電子器件，我們的生活勢必會變得更加便捷、酷炫。
不過目前，智能紡織品的功能、尺寸和形狀仍然受到制造工藝的限制，還無法滿足這一需求。
近年來，有相關研究提出，可以通過傳統的編織或針織工藝，将某些特殊的“智能纖維”直接整合到紡織品中。一旦成功，就意味着它們可以被制成日常物品，從而大大擴展智能紡織品的潛在應用。
而在此次研究中，研究團隊就成功制作了一個名為 F-devices 的智能紡織品系統，該原型設備大約 46 英寸，雖然外觀與普通布藝紡織物别無二緻，但卻完全 可以作為電子顯示屏運行，實時監測并顯示射頻信号、溫度、光線、觸摸信息、生物傳感信息，還能自動收集并存儲電量。
圖｜智能紡織顯示屏展示圖（動圖素材來源：Nature Communications）
同時，由于它是直接使用商業紡織品制造技術制成的，原材料為紡織纖維，可以被任意卷動、折疊，具備以往智能紡織物難以達到的靈活性與柔韌度。
圖｜基于紡織物的智能顯示屏（來源：Nature Communications） 研究團隊表示，此次制造的原型顯示器為下一代電子紡織品應用鋪平了道路，這些應用可能涉及智能與節能建築等領域，比如采用智能紡織物技術的建築可以自行産生和存儲能源。
此外，物聯網、分布式傳感器網絡以及與紡織物集成的靈活且可穿戴的交互式顯示器都将向前邁進一大步。
多重功能集于一體，太酷了！
那麼，該系統具體是如何實現的？
首先，研究團隊将 F-射頻天線、F-光電探測器、F-觸摸傳感器、F-溫度傳感器、F-生物傳感器模塊、F-能量存儲模塊 6 大纖維部件集成起來，同時以 RGB 纖維為原材料，實現了顯示屏的多重功能。
圖｜a）F-devices内嵌的六大關鍵部件；b）直接使用車間的機械紡織技術織造該系統；c）原型智能紡織系統（來源：該論文）
其中，光電探測器與溫度傳感器用于環境監測，當接收輸入信号後（比如被紫外線照射），該智能顯示屏就會實時顯示當前信息。 圖 | 研究團隊使用紫外線照射光學傳感器，顯示屏會播放對應信息（動圖素材來源：Nature Communications）
圖｜智能紡織顯示屏實時監測并以圖表形式展示當前溫度變化（動圖素材來源：Nature Communications）
而生物傳感器則用于檢測人體各項指标。
實驗中，工作人員使用該系統讀取自身心跳，顯示屏則實時顯示心電圖。
圖｜智能紡織顯示屏實時監測心跳并顯示心電圖（動圖素材來源：Nature Communications）
觸摸傳感器則被設計用于操作每個光纖設備，并在接收到觸摸時會在紡織品顯示器上顯示一組預編碼指令，為了實現現實生活應用，研究團隊還在其中加入了智能小工具和物聯網相關的 30 個執行術語（下圖左側表格）：
圖 | 當觸摸傳感器接收到不同輸入信号，會觸發對應的指令并展示在顯示屏上（動圖素材來源：Nature Communications）
此外，研究團隊還在這塊智能紡織物顯示屏中集成了電量收集與存儲模塊，從而保證可獨立地向顯示屏持續供電 5 分鐘。
圖 | 電量存儲模塊正在向顯示屏供電，可維持5分鐘左右（動圖素材來源：Nature Communications）
未來或将“大有可為”
除了過硬的功能實現，為了讓智能顯示屏與編織工藝完美融合起來，研究團隊還在每個纖維部件上塗覆了可以承受足夠拉伸的材料，以便它們可以被直接用在紡織制造的機械設備中。
此外，為了提高智能顯示屏的可靠性和耐用性，研究團隊還編織了一些基于纖維的組件，經過 1000 次機械與電氣穩定性測試以及防水測試發現，光纖部件等均無機械損傷，性能偏差也維持在穩定範圍之内。
圖 | 研究團隊測試 F-devices 的防水性（動圖素材來源： Nature Communications ）
最後，研究團隊使用導電粘合劑和激光焊接技術将多個光纖組件連接在了一起，并成功地通過标準可擴展的紡織品制造工藝，将多種功能整合到了一大塊機器紡織物中。
對此，此項研究的領導者之一、劍橋大學工程系教授 Jong min Kim 表示：
“我們的方法建立在微納米技術、先進顯示器、傳感器、能源和工業紡織品制造的重重融合之上，這是朝着在日常應用中充分利用可持續、便捷的電子纖維和電子紡織品邁出的重要一步。”
目前，研究團隊正在繼續研究如何提高該技術的可持續性、以及如何應用于日常物品中，并緻力于将可持續材料整合為纖維成分，以此提出一類新型的、基于紡織的能源系統。
而這些靈活而實用的智能紡織物，最終可以被制成電池、超級電容器、太陽能電池闆和其他設備等。
正如另一位研究領導者、劍橋大學工程系教授 Luigi Occhipinti 所說：
“通過集成基于光纖的電子、光子、傳感和能量功能，我們可以實現這樣一類全新的智能設備和聯合系統。此次研究是對紡織制造潛力的一次深入探索，通過該技術，我們很快就會看到能源自主的智能物聯網設備，這些設備将可以無縫集成到我們的日常物品和許多其他行業應用中。”
對于智能紡織物，你有什麼看法？歡迎在評論區分享～
參考資料：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28459-6#Fig4
https://www.techexplorist.com/fully-woven-smart-display/44664/
https://techxplore.com/news/2022-02-scientists-fully-woven-smart.html
報告人為論文一作曹書林，清華大學計算機系博士生，指導老師李涓子（智源研究員，清華大學科學與技術系教授）
預約直播： https://event.baai.ac.cn/activities/274
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