Science：无芯片纺织电子织物（东华大学王宏志教授团队在智能纤维领域的新突破）

现有技术缺点

1. 刚性组件限制：目前的纺织电子系统依赖于硅基芯片和硬性元件，无法与柔软纺织品无缝集成，影响能效、舒适性和可穿戴性。

2. 能量转换挑战：现有系统缺乏动态能量转换载体，导致数字逻辑操作效率低，无法实现真正的无芯片电子系统。

3. 模块化架构局限：基于冯·诺依曼架构的模块化电子产品在能效和灵活性方面表现不足，难以适应日常使用中的多样需求。

文章亮点

1. 无芯片、无线传输：提出了无芯片的体耦合能量相互作用机制，实现通过单根纤维进行无线信号传输和能量采集，无需芯片或电池。

2. 智能纤维设计：所有电子元件集成到单根纤维中，具有极高柔软度和与传统纺织品的兼容性。这种纤维不仅能够实现无线传感，还可进行视频数字交互和人类可读的反馈显示。

3. 创新能量采集方法：利用人体作为交互对象，耦合周围电磁能量，实现能量束缚电荷对的交替，增强了无线能量传输与传感性能。

4. 可扩展制造：该纤维电子系统与现有的现代织造技术兼容，具备大规模生产和集成的潜力。

应用场景

1. 智能服装：实现了可穿戴电子产品中纤维级别的电子功能集成，支持人体健康监测、日常互动和虚拟现实等应用。

2. 辅助通信：为智能家居、虚拟现实等领域提供无线通信和互动的解决方案，无需芯片和电池。

3. 能源采集：在极端环境或日常生活中通过纤维无线采集能量，用于设备供电或数据传输。

总结

该研究突破了传统基于硅芯片的纺织电子系统的局限，提出了一种无芯片的体耦合能量交互机制，将电子组件全部集成到单根纤维中，实现了无线传感、显示与逻辑交互。这种技术不仅解决了能效和集成问题，还展示了在可穿戴设备、智能家居和虚拟现实等领域的广泛应用前景。

文章名称：Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics

期刊：Science

文章DOI：10.1126/science.adk3755.

通讯作者：东华大学王宏志（Hongzhi Wang）教授，侯成义（Chengyi Hou）研究员和张青红（Qinghong Zhang）教授

体耦合交互作用纤维的设计与原理

    本工作提出的交互式纤维（interactive fiber ，i-fiber）消除了芯片和电池组件的限制，可以无缝集成到现代纺织工业中，解决了舒适性、集成性和耐用性问题。i-纤维由两个功能单元组成(图1B)：无线接收器和无线发射器，后者包括传感和显示部分。i-纤维还由三个功能层组成：用于感应交变电磁场(EI)的天线芯(镀银尼龙纤维；图1B，红色)，用于存储耦合电磁能量的介质层(BaTiO3混合树脂；图1B，白色)，以及用于可视化电场的光学层(ZnS：Cu2+混合树脂；图1B，蓝色)。同时，相互作用的物体本身（即人体）充当限制环境电磁场的另一极(图S2和S3)。当i-纤维与人体皮肤接触时，形成界面接触电容，并激励光学活性层产生可见光。当界面电容的电场强度超过空气击穿的临界值()时，将产生局域等离子体放电效应。这产生了附加的电位移项，它打破了限制电荷对的平衡状态，从而实现了用于触觉传感的电信号的无线传输。当将柔软的i-纤维放置在手掌中(图1C)时，界面接触电容可以有效地捕获环境电磁能量并诱导i-纤维发光(图1C)。图1D展示了当手指与刺绣的i-纤维接触时同时产生的光和电信号。该工作的电子纺织系统只包含i-纤维，没有芯片、电池或任何其他额外组件。

图1.体耦合交互纤维的设计和原理。(A)当前基于集成电路芯片的无线交互纺织系统(左)与该工作的无芯片无线交互纺织系统(右)的比较。(B)体耦合无芯片交互纤维的原理。(C)i-纤维通过将其放在手上并耦合周围的电磁能量来无线供电的照片。(D)刺绣工字纤维可以通过触摸同时产生光和电信号。

视频S1

基于体耦合交互作用纤维的环境电磁能量采集

    电磁辐射来自无线电信号、电网，甚至日常生活中新出现的摩擦电信号正变得越来越普遍。该项工作提出了一种由单个i-纤维实现的体耦合环境电磁能量采集方法(图2)。

图2.通过体耦合交互纤维采集环境电磁能量。(A)从各种环境电磁场收集能量的i-纤维示意图，包括纺织摩擦(~3 Hz)、电源线(~23 kHz)和智能手机(~13.56 MHz)。(B)人体耦合纤维电子学的图解。(C)i-纤维体耦合无线电能传输的电路模型。发射机是外部电磁信号源。(D)由人体和办公室内空气耦合的环境电磁波的功率谱(环境参数：22 °C，60%相对湿度)。(E)在与外部电磁场源不同的距离处，用于人体耦合电磁场能量采集的i-纤维的接收电压和发光亮度。(F)环境介质(空气和液体)对i-纤维捕获电磁能量和自身发光能力的影响。(G)偶极子在空气中或水下发出的电场分布。

无线光电信号的调制和传输

图3.无线光和电信号的调制和传输。(A)通过单一i-纤维无线传输光和电信号的机制示意图。(B)无线传输光和电信号的照片。(C)i-纤维的横断面图，包括纤芯天线、高k介电涂层和亮度护套。(D)i-纤维诱导的时间域中的光和电信号。(E)纤维介质涂层厚度d对电信号频率和幅度的影响。(F)电磁频率的增加会导致光谱的主要波长发生蓝移，从3 Hz时的约520 nm变化到13.56 MHz时的430nm。(G)无线光学和电信号随距离的衰减。(H)无线光信号和电信号的方向图。

S4视频： 手指与工质光纤的接触会引起界面电场的变化，从而产生光和电无线信号。

连续化生产、织造和织物手感评价

    该工作所制备的纤维具有良好的柔软度(0.095 cN·cm~2)、细度(300 Mm)和断裂强度(56.4 Mpa)，使得其可以用数码缝纫机进行缝制和刺绣(图4B和4C)。此外，作者还引入了荧光染料(第二激发源)来控制纤维电子器件的固有色调和发射色调(图4D和4E)。

图4.连续生产、织造和川端织物风格评估。(A)i-纤维的连续制造。(B)i-纤维与商业纺织品的数码刺绣。(C)在剑杆织机上大面积(0.8m*1.5m)织造i-纤维。(D)收集在卷取辊上的多色i-纤维。(E)染色纤维在体耦合电磁场作用下呈现白、绿、蓝三种不同的发光颜色。(F)传统的基于芯片的电子纺织品和无芯片电子纺织品的示意图。(G)比较基于芯片的传统电子纺织品和无芯片电子纺织品在穿着舒适性(透气性和透湿性)方面的差异。(H)对电子纺织品和商业纺织品的手感风格进行评价。(I)i-纤维机织纺织品的耐洗性，包括色牢度和发光强度稳定性。

无芯片纺织电子技术的应用

    图5展示了这种i-纺织品在为聋人提供辅助光通信方面的潜在应用。

S5视频： 人体耦合的无线纺织电子设备无需芯片或电池即可实现触觉图案像素显示。

    利用人体耦合纤维电子技术，作者还开发了一种单纤维使能的交互纺织品，并实现了对虚拟游戏的实时控制(图5e)，图5F中显示了该电子系统的信号流程框图，人体可以耦合无线电磁场并触发击穿阈值，这将在纤维接触接口发送编码的无线信号，频率和幅度由i-纤维本身(径向电容，CF)调制。

图5.无芯片纺织电子产品的应用。(A)i-纺织品为聋人提供辅助光通信的潜在应用。(B)像素化无线纺织电子系统使织物上无需电池或芯片的触觉图案显示器成为可能。(C)我们的无芯片纺织品显示器与传统的基于芯片的纺织品显示器在帧速率和延迟方面的比较。(D)无芯片i-纺织品实现了26个字母和10个阿拉伯数字的触摸显示。(E)i-纺织品在虚拟现实和人机交互方面的潜在应用。(F)基于i-纤维的无芯片游戏交互框图。(G)通过一根纤维实现无芯片、无线的游戏控制，包括四个独立的数字逻辑控制器。(H)智能纺织品在智能家居中的潜在应用。(I)基于i-纤维的无芯片智能家居框图。(J)周围的电磁场能量耦合到脚底，可以激活纤维，使触摸区域可视化，并无线传输感应信号，以控制家电开关。

Weifeng Yang et al. ,Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics.Science384,74-81(2024).DOI:10.1126/science.adk3755.

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