蘇州納米所張其沖等合作AM綜述：智能織物中的纖維交錯(cuò)器件
智能電子織物融合了電子工程與紡織工程領(lǐng)域的前沿技術(shù)成果，為人們提供更加智能化和便捷的生活體驗(yàn)。當(dāng)前報(bào)道的大量智能電子織物中，許多都采用纖維交錯(cuò)（Fiber Crossbar，以下用“FC”指代）結(jié)構(gòu)作為其基本單元。這種結(jié)構(gòu)由兩根纖維交叉構(gòu)成，并在交錯(cuò)點(diǎn)處構(gòu)成某種電子器件（圖1）。當(dāng)外部刺激（如電流）通過時(shí)，纖維交錯(cuò)點(diǎn)的某些特性（如電阻、電容）會(huì)發(fā)生變化，從而對(duì)外部刺激做出響應(yīng)。FC結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)智能可穿戴衣物的有力支撐。首先，與集成電路架構(gòu)相似，FC能夠以點(diǎn)陣的形式，在面料的各個(gè)交錯(cuò)點(diǎn)之上布置數(shù)量龐大的器件，不僅節(jié)省了器件所占用的空間，更為整片面料賦予更為復(fù)雜的功能。其次，在FC結(jié)構(gòu)中，相鄰的器件之間能夠相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)更為多樣化的功能，使每根纖維不再孤立。這種緊密的結(jié)構(gòu)可以將傳感、運(yùn)算、顯示、供能等多種功能融合在一起。
圖1. 纖維交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的基本模型
為了全面梳理FC結(jié)構(gòu)的范式與進(jìn)展，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所輕量化實(shí)驗(yàn)室張其沖項(xiàng)目研究員等與南洋理工大學(xué)魏磊副教授團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院陳明副研究員合作在國際材料科學(xué)領(lǐng)域頂尖期刊Advanced Materials上發(fā)表了題為 Fiber crossbars: an emerging architecture of smart electronic textiles的綜述文章，全面介紹了智能織物中的FC結(jié)構(gòu)的器件設(shè)計(jì)、材料選用、制造技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展。此外，還討論了纖維交錯(cuò)結(jié)構(gòu)在當(dāng)前面臨的瓶頸挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢(shì)。
器件是實(shí)現(xiàn)一切功能的核心元素。一個(gè)FC結(jié)構(gòu)即是一個(gè)功能器件，而多個(gè)FC結(jié)構(gòu)可以組成更大的陣列，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的模塊化功能。如圖2所示，該綜述首先討論了基于FC的器件的工作機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選用，具體包括基于FC的電阻器（FC-based resistors）、電容器（FC-based capacitors）、納米發(fā)電機(jī) (FC-based nanogenerators) 、憶阻器（FC-based memristors）、晶體管 (FC-based transistors) 、發(fā)光器件（FC-based lighting devices）和能量器件（FC-based energy devices）。本篇綜述詳盡分析了主要文獻(xiàn)中報(bào)道的FC器件在可穿戴電子領(lǐng)域的主要應(yīng)用案例。FC器件的主要應(yīng)用可分為四大類功能：傳感、運(yùn)算、顯示、供能。在傳感方面，電阻、電容和納米發(fā)電機(jī)等感應(yīng)元件被廣泛應(yīng)用于可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和位姿監(jiān)測(cè)，為用戶提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和指導(dǎo)；在運(yùn)算方面，憶阻器和晶體管等計(jì)算元件被用于執(zhí)行二進(jìn)制存儲(chǔ)、布爾邏輯運(yùn)算和基于神經(jīng)形態(tài)運(yùn)算的模式識(shí)別，為可穿戴電子設(shè)備提供強(qiáng)大的計(jì)算能力；在顯示方面，各類發(fā)光器件被用作基本陣列單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基本字母和語句的準(zhǔn)確顯示；在供能方面，各類超級(jí)電容器和太陽能電池被用作獲取能量的主要途徑，實(shí)現(xiàn)了可觀的能量收集和轉(zhuǎn)化能力。
圖2. 纖維交錯(cuò)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)理
隨著研究的不斷推進(jìn)，FC結(jié)構(gòu)在未來的發(fā)展前景十分可觀，有望重新塑造醫(yī)療護(hù)理、人際通訊乃至商用服裝等領(lǐng)域的人因設(shè)計(jì)思路。盡管FC器件具有巨大的潛力，然而綜述認(rèn)為，當(dāng)前纖維交錯(cuò)器件仍然面臨著一些挑戰(zhàn)（詳見圖3）。
其中，挑戰(zhàn)一是功能集成度不足。目前FC器件的功能僅限于傳感、運(yùn)算、顯示和供能等基本功能，而控制和信號(hào)交互等重要功能的集成度較低。此外，各類功能還未能有機(jī)統(tǒng)一、相互輔助，導(dǎo)致當(dāng)前的FC系統(tǒng)還處于探索階段，難以滿足復(fù)雜應(yīng)用的需求，離商業(yè)化還有很長的路要走。
挑戰(zhàn)二是智能化水平低。由于集成度不足的問題，FC系統(tǒng)的智能化程度有限。雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯運(yùn)算和神經(jīng)形態(tài)運(yùn)算的功能，但這些功能仍然比較原始，只能滿足簡(jiǎn)單邏輯（例如“與/或”運(yùn)算）和小數(shù)據(jù)量條件下的運(yùn)算。增加FC傳感與運(yùn)算元件的數(shù)量和密度是實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模數(shù)據(jù)采集和更精準(zhǔn)的織物運(yùn)算的前提條件。
挑戰(zhàn)三是材料的生物相容性有待提高。一些FC器件所使用的材料價(jià)格較高，而且一些材料（例如重金屬、無機(jī)物）具有生物毒性，可能會(huì)在長期穿戴條件下出現(xiàn)泄漏，從而對(duì)人體構(gòu)成安全隱患。因此，需要進(jìn)一步研究材料的安全性能，以確保FC器件的市場(chǎng)準(zhǔn)入性。
挑戰(zhàn)四是缺乏成熟的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。由于FC器件是一種新型的電子器件，目前還沒有建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。不同的研究人員在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下使用不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大，這些結(jié)果難以比較，很難衡量各自的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)，也使得對(duì)于各類新報(bào)道的FC器件的評(píng)估變得更加困難。因此，需要建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以便更好地評(píng)估FC器件的性能和功能。
圖3. 纖維交錯(cuò)器件的面臨的挑戰(zhàn)
過去幾十年，傳統(tǒng)的電子設(shè)備逐漸演變?yōu)榭纱┐鞯闹悄茉O(shè)備，并進(jìn)一步分化出可穿戴的智能織物設(shè)備。開發(fā)功能性纖維以取代傳統(tǒng)的紗線和棉線，進(jìn)而開發(fā)“將功能融入織物”的纖維交錯(cuò)器件，對(duì)可穿戴產(chǎn)品的發(fā)展具有重要的意義。FC器件已被廣泛應(yīng)用于傳感、運(yùn)算、顯示和供能等基本功能，并在醫(yī)療護(hù)理、人際通訊、商用服裝等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，當(dāng)前FC器件在功能集成度、智能化水平、材料生物相容性和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系等方面仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。因此，需要進(jìn)一步深入研究FC器件的技術(shù)及其應(yīng)用場(chǎng)景，并積極解決存在的問題，以推動(dòng)FC器件的商業(yè)化進(jìn)程，并為人類社會(huì)的發(fā)展帶來更大的貢獻(xiàn)。
南洋理工大學(xué)博士生周旭輝是該論文的第一作者，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院陳明副研究員、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張其沖項(xiàng)目研究員和南洋理工大學(xué)魏磊副教授等為本文的通訊作者。該論文工作獲得了中國科學(xué)院“率先行動(dòng)”引才計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
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