研究人員將光電二極管納入光纖并將其編織成可清洗的織物

紡織品和纖維的最新發(fā)展是一種可以穿的軟硬件：布有電子設(shè)備的布料。

麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)已將高速光電半導(dǎo)體器件(包括發(fā)光二極管(LED)和二極管光電探測(cè)器)嵌入到南卡羅來(lái)納州Inman Mills的纖維中，制成柔軟的可清洗織物并制成通信系統(tǒng)。這標(biāo)志著通過(guò)采用半導(dǎo)體器件(現(xiàn)代電子產(chǎn)品的關(guān)鍵成分)創(chuàng)造“智能”面料這一長(zhǎng)期追求的目標(biāo)的實(shí)現(xiàn) - 迄今為止，這是制造具有復(fù)雜功能的面料的缺失部分。

研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)為纖維釋放出一種新的“摩爾定律” - 換言之，纖維的能力將隨著時(shí)間的推移迅速呈指數(shù)增長(zhǎng)，就像微芯片的能力已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年一樣。

調(diào)查結(jié)果是這個(gè)星期描述在雜志自然由前麻省理工學(xué)院研究生邁克爾紙收服; 他的研究顧問(wèn)Yoel Fink，麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與電氣工程教授，AFFOA(美國(guó)先進(jìn)功能織物)首席執(zhí)行官; 以及來(lái)自麻省理工學(xué)院，AFFOA，英曼米爾斯，洛桑洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院和林肯實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)。

傳統(tǒng)上，光纖是通過(guò)制造稱為“預(yù)制棒”的圓柱形物體來(lái)制造的，該物體基本上是光纖的放大模型，然后加熱它。然后在張力下拉伸或向下拉軟化的材料，并將所得纖維收集在線軸上。

生產(chǎn)這些新纖維的關(guān)鍵突破是將預(yù)制棒發(fā)光半導(dǎo)體二極管的尺寸增加到一粒沙子，將一對(duì)銅線添加到頭發(fā)寬度的一小部分。當(dāng)在纖維拉伸過(guò)程中在爐中加熱時(shí)，聚合物預(yù)制件部分液化，形成長(zhǎng)纖維，二極管沿其中心排列并通過(guò)銅線連接。

在這種情況下，固體組件是使用標(biāo)準(zhǔn)微芯片技術(shù)制造的兩種類型的電二極管：發(fā)光二極管(LED)和光敏二極管。Rein說(shuō)：“在拉絲過(guò)程中，”設(shè)備和導(dǎo)線都保持尺寸，同時(shí)所有設(shè)備都在周圍縮小“。然后將所得纖維織成織物，將其洗滌10次以證明其作為衣服可能材料的實(shí)用性。

“這種方法為制造纖維的過(guò)程增添了新的見(jiàn)解，”作為該論文的第一作者，并開(kāi)發(fā)了導(dǎo)致新工藝的概念的Rein說(shuō)。“我們不是將所有材料以液態(tài)吸收在一起，而是將顆粒形式的設(shè)備與細(xì)金屬線混合在一起。”

將功能結(jié)合到纖維材料本身中的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是所得纖維本身是防水的。為了證明這一點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)將一些光電探測(cè)纖維放入魚(yú)缸內(nèi)。水族館外的一盞燈以快速光學(xué)信號(hào)的形式通過(guò)水將音樂(lè)(恰當(dāng)?shù)?，亨德?tīng)柕?ldquo;水音樂(lè)”)傳遞給光纖。坦克中的光纖轉(zhuǎn)換了光脈沖 - 如此之快以至于光線對(duì)肉眼看起來(lái)穩(wěn)定 - 電信號(hào)然后被轉(zhuǎn)換成音樂(lè)。纖維在水中存活數(shù)周。

雖然原理聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，使其始終如一地工作，并確保纖維可以可靠和大量地制造，但這是一個(gè)漫長(zhǎng)而艱難的過(guò)程。由Jason Cox和Chia-Chun Chung領(lǐng)導(dǎo)的Advanced Functional Fabric of America Institute的工作人員開(kāi)發(fā)了提高產(chǎn)量，產(chǎn)量和整體可靠性的途徑，使這些纖維準(zhǔn)備好向工業(yè)過(guò)渡。與此同時(shí)，Inman Mills的Marty Ellis開(kāi)發(fā)出使用傳統(tǒng)工業(yè)制造規(guī)模的織機(jī)將這些纖維織成織物的技術(shù)。

“本文介紹了將半導(dǎo)體器件融入光纖的可擴(kuò)展路徑。我們預(yù)計(jì)未來(lái)幾年光纖中會(huì)出現(xiàn)'摩爾定律'類似物，”Fink說(shuō)。“它已經(jīng)允許我們擴(kuò)展面料的基本功能，包括通信，照明，生理監(jiān)測(cè)等。在未來(lái)幾年，面料將提供增值服務(wù)，不再僅僅選擇美觀和舒適。”

他表示，第一批采用這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)產(chǎn)品最早將于明年進(jìn)入市場(chǎng) - 從實(shí)驗(yàn)室研究到商業(yè)化的過(guò)程非常短暫。他說(shuō)，這種快速的實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)的發(fā)展是創(chuàng)建學(xué)術(shù) - 產(chǎn)業(yè) - 政府合作的關(guān)鍵部分，例如AFFOA。這些初始應(yīng)用程序?qū)⑹巧婕巴ㄐ藕桶踩膶Ｓ卯a(chǎn)品。“它將成為第一個(gè)面料通信系統(tǒng)。我們現(xiàn)在正在以前所未有的速度和規(guī)模將技術(shù)轉(zhuǎn)移到國(guó)內(nèi)制造商和工業(yè)，”他說(shuō)。

除了商業(yè)應(yīng)用，芬克說(shuō)，美國(guó)國(guó)防部 - AFFOA的主要支持者之一 - “正在探索將這些想法應(yīng)用于我們的制服女性和男性。”

研究人員表示，除了通信之外，纖維還可能在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，使用這種纖維的裝置可用于制造可測(cè)量脈搏或血氧水平的腕帶，或編織成繃帶以連續(xù)監(jiān)測(cè)愈合過(guò)程。