当穿衣遇上科研—今年以来NS系列顶刊“教”你穿衣服

 引言

当我们畅想如何构建未来生活时，性能强大的新型织物肯定是必不可少的一环。在未来，衣服一类的织物不再只有日常属性，它们可以作为“行走的空调”，随时随地调节人体周边的温度，还能收集能量成为“发电机”或者“通讯设备”；也可以是强化部件，是你变得“力大无比”，又或者保护你不受外界攻击。如今，以微软、三星为代表的科技巨头都纷纷加入智能织物技术的开发，代表着智能织物将引领未来智能生活的发展。那就让我们来看看，近期科学家们在智能织物领域又发挥了怎样的奇思妙想吧！

微软关于智能织物的新专利（图片来源于Patently Mobile网站）

Science：降温最高可达4.8℃！炎热夏日也可以尽情享受户外活动

随着全球变暖加剧，室外温度不断提高，暴露在户外环境中的人们如何实现零能耗防护成为研究热点。个人热管理（PTM）作为一种新兴技术，能够对人体周围小范围内的微环境进行局部热量调控，在降低能耗的同时，按照需求调节制冷和保温功率，从而实现高效热舒适。然而，能源消耗问题和PTM系统设计的挑战尚未解决。辐射制冷是克服这些障碍的一种很有前途的制冷技术，其通过大气透明窗口将热量直接辐射到外层空间，以实现零能耗的被动制冷。近年来，利用纳米光子结构（如光子晶体、超材料和随机介质）同时增强太阳反射与中红外热辐射的日间辐射制冷装置和系统已被广泛研究。然而，迄今为止的大多数辐射制冷结构（薄膜或涂层等）仍具有较低的可穿戴性，限制其直接应用于PTM系统。作为保护皮肤免受外部环境影响的主要媒介，织物是实现日间辐射制冷个人热管理的绝佳选择。基于辐射制冷的个人热管理织物，将通过强烈反射太阳辐射阻挡热量输入，同时在中红外波段强烈辐射热量，以维持日间阳光直射环境下的有效制冷，有望显著提高人体热舒适。且整个过程中不需要外部能量输入，从而具备传统耗能热管理技术所不具备的优点。

用于日间辐射冷却的超材料织物示意图

华中科技大学陶光明教授和浙江大学马耀光教授（共同通讯作者）将被动辐射制冷结构引入个人热管理技术，有效地保护人体免受日益加剧的全球气候变化的影响。具体来讲，作者设计了一种具有分级形态结构的超材料织物，织物主体由氧化钛-聚乳酸（TiO₂-PLA) 复合纤维编织而成，其上层压了一层厚度约为50 μm的聚四氟乙烯 (PTFE) 服装膜。超材料织物在太阳辐射波段（0.3-2.5μm）具有92.4%的反射率，在中红外波段（8-13 μm）具有94.5%的发射率。同时，通过可批量生产的工业纺织品制造路线，织物展现出可与商业服装比拟的机械强度，防水性和透气性，并具备高效的辐射冷却能力。实际应用测试表明，与商用白色棉织物相比，使用本文的超织物对人体皮肤表面最高降温可达约4.8℃（广州，2020年12月7日）。这项技术基于结构设计，精准化光学响应，使黑体辐射趋于极限，验证了优异的辐射制冷效果，具备低成本、可规模化制备和产业化等优势。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/373/6555/692#BIBL

Nature：可以充当显示器的织物

显示器是现代电子产品的基本构件。将显示器集成到纺织品中，制备出智能电子纺织品，这无疑将改变我们与电子设备的交互方式。显示纺织品是人机交互的桥梁，例如，为有语音或言语障碍的人提供实时交流工具。此前已有报道称，电子纺织品能够进行通信、感知和供电。然而，电子纺织品的结构不同于传统的薄膜器件，例如目前用于构造柔性显示器的有机发光二极管(OLEDs)。一方面，纺织品由纤维编织而成，形成粗糙多孔的结构，可以变形并贴合人体轮廓。另一方面，有机电致发光器件是通过在阴极和阳极电极之间沉积多层半导体有机薄膜制成的，一般基于玻璃或塑料等平面衬底。因此，当将其附着在粗糙和柔软的纺织品表面时，这些薄膜器件性能通常容易随着时间发生衰减甚至失效。另外，在适于编织成柔性显示纺织品的纤维上沉积有机薄膜也是非常困难的，因为这些薄膜机械稳定性较差，无法承受编织过程中的摩擦。用于制造有机发光二极管的蒸镀工艺也不适于纤维电极的规模化连续制备。更重要的是，因为有机发光二极管的发光依赖于阳极和阴极之间的载流子注入和传输。因为有机电致发光器件中的光发射取决于阳极和阴极之间的载流子注入和传输，所以编织经线和纬线不能在电极和半导体层之间提供充分的欧姆接触使其有效发光。虽然光纤、聚合物发光电化学电池纤维和交流电致发光纤维等纤维状的发光器件可以编织成发光织物，但它们通常显示预先设计好的图案。这就导致很难像计算机和移动电话显示器一样，根据输入的数字信号实时动态地独立控制像素点，这极大限制了它们的实际应用。

显示织物的结构及其电致发光性能

复旦大学彭慧胜/陈培宁团队（共同通讯作者）报告了一种6 m长，25 cm宽的大面积柔性显示织物，其中包含约5×10⁵个电致发光单元，它们之间的间隔约为800 um。编织导电纬线和发光经线纤维在经纬交织点形成微米级电致发光单元。有效克服了发光活性材料在高曲率纤维表面均匀连续负载的难题，揭示了交织点曲面界面形成均匀电场的独特机制。电致发光单元之间的亮度偏差小于8%，即使在织物弯曲、拉伸或挤压时仍旧保持稳定。该显示织物柔软透气，可经受反复的机器洗涤，可有效满足实际应用要求。进一步将织物显示、键盘和电源等模块有效集成，构建得到柔性织物显示系统，可以作为一种新型、便捷的通信工具，在物联网、人机交互、智能通讯等新兴领域显示了巨大的应用潜力。该方法可将电子器件制备和织物结构与编织方法有效结合，有望推动柔性电子领域的交叉融合发展。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8

Nature：锁子甲也可以变得很智能

智能织物是一类可以感知、响应环境刺激来改变其性质、测量以及对外通讯的可穿戴材料。他们的应用领域通常包括医学监测、可穿戴计算和能量富集等。这类材料一般通过将柔性电子电路（用于感知和计算）、相变材料（用于热调节）或者光伏材料（用于太阳能富集）集成到传统织物上而得到。一旦这类织物成功制备，它们都是固定无法变形的。而对于力学性质可调的织物，目前几乎未见研究报道。这类机械可适应织物能够对人体产生机械反馈，从而完成关节辅助、触觉等功能，有望拓展智能织物的应用领域。

智能锁子甲形变可重构性、可调的抗冲击性及其应用

加州理工学院的Chiara Daraio（通讯作者）团队通过将三维颗粒（可互锁的空心八面体）集成到层状锁子甲中设计了一种具有可调弯曲系数的新型结构化织物（structured fabrics）。这一新型锁子甲由尼龙塑料聚合物3D打印而成，可以改造适应复杂的形状，而一旦进行真空包装后，其会转变成刚性结构，这是因为三维颗粒会发生互锁行为并导致锁子甲被固定（堵塞转变，jam）。研究展示了只需很小的外部压力（93千帕左右），锁子甲片层就会变得十分坚硬，其硬度比松弛状态下要高出25倍。作者认为，抗弯强度的极具增加源于互锁颗粒具有很高的抗拉强度。研究进一步使用离散元模拟来寻找锁子甲微观结构与宏观性质的关系并以此解释实验测量现象，发现由非凸（convex）颗粒组成的锁子甲在经历堵塞相转变时可以用特征幂律函数来进行描述。这一工作可推动轻质、可调控织物在可穿戴外骨骼等领域的应用发展。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03698-7

Nature：穿在身上的纤维锂离子电池

为了让纺织电池在便携式和可穿戴电子产品中得到广泛应用，我们必须能够大规模生产柔韧、安全、可清洗的纤维电池线轴。目前的主流方向是制造直径为数十至数百微米的纤维锂离子电池（FLIBs），这样它们就可以很容易地编织到可穿戴和透气的纺织品中，以满足各种可穿戴电子产品的电力需求。在过去的十年中，努力探索了制造电化学性能越来越好的FLIBs的方法。然而，迄今为止获得的纤维只有几厘米长，基于整个电池质量的能量密度很低（<1 Wh kg^-1）。这种短的FLIBs是不实用的，因为连接它们的附件会损害纤维的能量密度和稳定性。例如，水/氧侵入，电解质泄漏或机械故障都可能发生在这些连接处。大规模生产长的FLIBs，同时保持高性能和长度仍然是一个巨大的挑战。

FLIBs纺织品的应用

在复旦大学彭慧胜教授和陈培宁副研究员（共同通讯作者）团队带领下，研究了这种纤维的内阻与纤维长度呈双曲余切函数关系，随着纤维长度的增加，内阻先减小后趋于均匀。研究证实，这种意想不到的结果适用于不同的纤维电池。通过优化可扩展的工业流程，能够生产数米的高性能纤维锂离子电池。根据包装在内的钴酸锂/石墨全电池的总重量，大规模生产的纤维电池的能量密度为每公斤85.69Wh（典型值小于每公斤1Wh）。经过500次充放电循环后，其容量保持率达到90.5%，1C倍率下的容量保持率达到93% （与0.1C倍率容量相比），可与软包电池等商业电池相媲美。纤维弯曲10万次后，可保持80%以上的容量。团队还展示了工业剑杆织机将纤维锂离子电池编织到安全且可清洗的纺织品中，可以为手机无线充电，或为集成了纤维传感器和纺织品显示器的健康管理夹克供电。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03772-0

Nat. Sustaubability：具有成熟制造工艺的环保面料

聚乙烯纤维形成环保面料

聚乙烯已经涌现成为一种在可穿戴织物领域颇具前景的聚合物材料，其具有高度的红外光透明性和可调的可见光不透明性，不但可以通过热辐射对人体进行降温，还有望为建筑制冷节约巨量的能源。近期，麻省理工学院的Svetlana V. Boriskina（共同通讯作者）课题组发表文章，展示了单一材料的聚乙烯面料可以作为传统织物的可持续性、高性能替代物。聚乙烯面料具有超轻质、材料成本低、可再循环特点。工业材料可持续性（Higg）指数计算则预测了聚乙烯面料在生产阶段对环境不会造成重大的影响。作者构建了聚乙烯纤维、聚乙烯纱线和聚乙烯面料，可实现高效吸水和快干功能，并可进一步与其防污性能结合，可在使用阶段尽可能地降低能量和水的消耗以及对环境的影响和破坏。与其他研究所展示的纳孔聚乙烯材料不同，作者所提出的高性能聚乙烯面料的由纺织工业的标准设备通过纤维熔融纺丝和编织制造而成的，无需任何化学涂层。不仅如此，作者还阐释了这类聚乙烯纱线可以通过环境友好型旋转染色（spin-dyeing）技术进行着色，可以避免产生大量有毒废水。同时，在旋转染色过程中，纤维不仅可以通过传统染料进行着色还能通过新型无机纳米颗粒染料进行着色，从而可以在循环阶段通过自动化红外扫描进行分类回收再利用。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41893-021-00688-5

 Nat. Electronics：利用纺织品学习人-环境相互作用

基于纺织物的触觉学习平台

对触觉交互进行记录、建模和理解在人行为研究和发展健康医疗、机器人应用方面是非常重要的。然而，由于现有的可穿戴传感器界面在性能、柔性、可扩展性以及成本方面开发还十分有限，这类研究一直极具挑战。针对这一挑战，麻省理工学院的Yunzhu Li、Wan Shou、Antonio Torralba以及Wojciech Matusik（共同通讯作者）等人联合提出了一种基于纺织品的触觉学习平台，可以用以记录、监测和学习人-环境相互作用。作者通过对低成本的压阻式纤维进行数码机器编织，可以形成任意的三维几何。为了保证这一纺织系统不受单个传感器变量影响，作者使用机器学习技术感测纠正和校准。在这一平台的帮助下，作者捕捉了各种人-环境相互作用（超过一百万种触觉框架），并且展示了人工智能赋能的感测织物可以对人的坐姿、运动和其他与环境的相互作用进行分类。此外，作者也展示了该平台可以复原动态的全身姿势，从而有助于揭示环境空间信息和探索生物机械信号。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00558-0 

Nat. Commun.：集成电子电路功能织物制备新方法

近年来，人们在寻找将电子器件与日常衣物集成一体的方案上取得了不小的研究进展。人们甚至开始梦想制造终极的“织物计算机”，既可以合身穿着，又可以完成包括环境/生理感知、信息转导、数字化/逻辑计算以及无线数据传输等一系列功能。近来，具有纤维或者织物形状的能量/传感器件也获得了极大的关注。然而，大多数这些柔性器件的集成电子电路仍然建立在硬性的印刷电路板（PCB）上，目前亟需发展可编织织物替代方案来优化电子器件与织物的集成。

非打印集成电路织物的设计

重庆大学范兴和Nannan Zhang、中科院重庆绿色智能技术研究所张炜教授以及哈佛大学Xingcai Zhang（共同通讯作者）等人合作，突破PCB工艺的限制，通过全编织的方法实现了一种用于生物医学和治疗诊断应用的非印刷型集成电路纺织品 (NIT)。在这一纺织品中，所有器件都以纤维或者交织节点的形式建造，并被进一步编织形成可变形织物集成电路。基于电化学选通原理（electrochemical gating principle），这一纤维编织型晶体管展现出了优异的弯曲或者拉伸性能，并且还可以进一步编织形成织物逻辑计算模块，以处理不同的突发事件。作者利用应变和光传感器纤维编织纤维型汗水传感器，可同时监测身体健康及其环境。利用基于详细能量消耗分析的光可充电能量织物，编织的电路织物可完全实现自供电的无线生物医学监测和早期预警。作者认为，NIT可被用作24小时待命私人AI“护士”实现日常的卫生保健、糖尿病监测以及处理低血糖等突发情况。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25075-8 

Nat. Commun.：可穿戴微型电网

为了满足日益增长的可穿戴电子器件的供能需求以及避免频繁、易受打断的有线传输，可穿戴系统需要和包括太阳能电池、生物燃料电池等能量富集装置进行集成，以保证其可自我维持的运行。尽管能量富集和存储器件的发展十分迅速，但将其合理集成到高效、自主和可持续的可穿戴系统中至今还未得到广泛的探索和研究。

多模块能量微型电网系统的概念及其设计

加州大学圣地亚哥分校的Joseph Wang（共同通讯作者）团队阐释了一种多模块生物能量微型电网系统，并基于此发展了e-纺织品微型电网（e-textile microgrids）的概念及设计原则。与一般的杂化可穿戴系统不同，这一e-纺织品微型电网具有汗水生物燃料电池、摩擦电发电机和超级电容器，仅仅依靠人体活动就可以协同富集生物化学能量和生物力学能量，同时调节能量用于高功率输出。通过平衡能量，e-纺织品系统可以有效持续对脉冲实现液晶显示或者汗水传感-电致变色显示，在10分钟运动过程中其启动时间可减半而运行时间可提高3倍。研究相信，这一织物基的生物能量微型电网可以为设计和运行高效、可持续和自主的可穿戴系统提供思路和巨大的机会。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21701-7

本文由NanoCJ供稿。

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