十年磨一剑!复旦织1.5平方米“智能显示布”登上《自然》

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原标题:十年磨一剑!复旦织1.5平方米“智能显示布”登上《自然》

一块1.5平方米的“布”,不仅能像显示器一样发光、展现不同的颜色与图案,还可以清洗、弯折……这一“十年磨一剑”的成果于北京时间3月11日凌晨刊发在国际顶级期刊《自然》上。其背后的科研团队来自中国上海的复旦大学。

“最近十多年来,人们希望织物不再是简单的有某些单一功能,它还是智能的。什么叫智能?实际上大家还是有一些争议的,我理解的智能是它和环境是可以形成一个反馈的。”复旦大学高分子科学系教授彭慧胜在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者采访时如是谈起他研究多年的智能织物。

早在5000多年前,人类开始用包括蚕丝在内的自然界纤维材料制备衣服,功能从遮体、美观逐渐延伸开来。而在彭慧胜等科学家们的设想中,

未来的衣服不再仅仅是一件衣服,我们可以按照衣服上显示的导航骑行、收发讯息,甚至在必要的时候可以显示人的心理状态

……

这些均被定义为智能电子织物,被认为可有力推动传统纺织制造和物联网、人机交互、大数据、人工智能等新兴领域的快速融合发展,有望催生新兴技术,在某些方面给人们的生活方式带来全新变革。

而如何将人们期待的功能有效集成到织物中,同时织物仍然能保持柔软透气、不易形变、耐洗、功能还依然稳定?目前科学界仍在致力于攻克多个难题。从2009年开始,彭慧胜领衔的团队“十年磨一剑”于近日成功将显示器件的制备与织物编织过程实现融合,在高分子复合纤维交织点集成多功能微型发光器件,揭示了纤维电极之间电场分布的独特规律,实现了大面积柔性显示织物和智能集成系统。

上述研究成果题为《大面积显示织物及其功能集成系统》(“Large-area display textiles integrated with functional systems”)。彭慧胜和复旦大学青年研究员陈培宁为该论文通讯作者,复旦大学高分子科学系博士研究生施翔、硕士研究生左勇以及工程与应用技术研究院博士研究生翟鹏为论文第一作者。





十年磨一剑!复旦织1.5平方米“智能显示布”登上《自然》

大织物显示。研究团队提供。(00:54)

经纬交错

显示作为电子设备的重要输出端,在近几十年来已经从刚性、笨重的面板发展到了柔性薄膜。然而,电子纺织品的结构及制造与例如有机发光二极管薄膜(OLEDs)这样的传统设备有着显著差异。

一方面,纺织品由纤维编织而成,形成粗糙的多孔结构,它可以变形并适应人体轮廓。但与此同时,如果将薄膜装置附着在纺织品粗糙和可变形的表面时,它们又往往表现不佳或随着时间的推移而失效。此外,用于制造OLEDs的蒸发工艺也不适于大规模制造纤维电极。

彭慧胜等人致力于智能高分子纤维与织物研发已十余年。据介绍,早在2009年,团队提出了聚丁二炔与取向碳纳米管复合以制备新型电致变色纤维的研究思路。然而,电致变色仅在白天可见,晚上则无法被有效应用,使用时域被打上了折扣。

2015年,团队在涂覆方法方面取得突破,成功解决共轭高分子活性层在高曲率纤维电极表面均匀成膜的难题,提出并实现了纤维聚合物发光电化学池,并通过编成织物实现了不同的发光图案。但此种方法也有局限之处,经由发光纤维编织所显示的图案数量非常有限,无法实现平面显示器中基于发光像素点的可控显示。

如何在柔软且直径仅为几十至几百微米的纤维上构建可程序化控制的发光点阵列,是困扰团队甚至这个领域的一大难题。

研究团队在论文中提到,尽管例如光纤、聚合物发光电化学电池纤维和交流电发光纤维这样的纤维发光器件,可以编织到发光纺织品中,但它们通常显示预先设计的图案,不能根据输入的数字信号动态地实时控制像素。这在标准的显示应用程序,比如计算机和移动电话中,是一个相当大的限制。

最终,编织中常见的经纬线交织解决了关键问题。在织物编织过程中,这样的交织可以自然地形成类似于显示器像素阵列的点阵。以此为灵感,彭慧胜团队适时转换了思路,他们着眼于研制两种功能纤维——负载有发光活性材料的高分子复合发光纤维和透明导电的高分子凝胶纤维。

通过上述两种功能纤维在编织过程中的经纬交织形成电致发光单元,并通过有效的电路控制实现新型柔性显示织物。

发光经线

是什么使织物拥有了显示特性?其内在结构如何? “显示织物内呈现独特的搭接结构,由发光经线和导电纬线交错而成。”彭慧胜解释道。

从横截面方向看,其中一根为涂覆有硫化锌发光材料的导电纱线,另一根透明导电纤维通过编织与其经纬搭接。论文中提到,这种基于涂覆的方案是获得连续发光长经线的一种简单方法。

比起传统的平板发光器件,发光纤维直径可在0.2毫米至0.5毫米之间精确调控,奠定了其“超细超柔”的特性。但值得注意的是,如何在微米级直径的纤维上连续涂覆均匀的发光材料涂层,构建得到发光强度高度一致的像素点阵?针对这一技术难题,彭慧胜团队提出了“限域涂覆”制备路线。

论文显示,团队将导电纱线浸在硫化锌荧光浆料中,在其固化之前穿过团队自制的微针孔,微针孔沿着纱线长度和圆周方向使涂层光滑均匀。涂覆固化后即得到了能抵御外界摩擦、反复弯折的发光功能层。使用不同直径的微针孔还可以用来调节发光层的厚度。研究团队在这项研究中使用了大约7微米的优化厚度。

在评估发光涂层均匀性的试验中,研究团队发现,即使在扭曲的情况下,发光仍然稳定。对于一段30米长的纤维,其发光强度变化小于10%。纤维沿圆周的不同位置发光强度也几乎相同,且与观测角度无关。而带有不均匀硫化锌荧光涂层的纤维则显示出不均匀的亮度,“这表明发光需要均匀的发光涂层。”

“施加交流电压后,位于发光纤维上的高分子复合发光活性层在搭接点区域被电场激发,就形成一个个发光‘像素点’。”就这样,在电场的激发下,电极和发光层凭借物理搭接即可实现有效发光,该方法可以将发光器件制备与织物编织过程相统一。

利用工业化编织设备,研究团队实现了长6米、宽0.25米、包含大约50万个发光点的发光织物。团队还通过在硫化锌荧光中掺杂不同的元素,如铜和锰,实现多色发光单元,得到多彩的显示织物。

此外,通过调整织造参数来改变经纬接触点之间的距离,团队还可以很容易地调整发光单元的密度。在这项研究中,发光点之间最小的间距约为800微米。这也意味着能初步满足部分实际应用的分辨率需求。





十年磨一剑!复旦织1.5平方米“智能显示布”登上《自然》

发光像素点。研究团队提供。(00:43)

牢固纬线

发光只是解决问题的第一步。团队研究发现,具有高曲率表面的纤维相互接触时,在接触区域会形成不均匀的电场分布,这样的电场不利于器件在变形过程中稳定工作。而在现实生活中,穿在身上的衣服难免会有磕磕碰碰,也需日常清洗。

如何能使显示织物适应外界环境的改变,乃至抵御住反复摩擦、弯折、拉伸等外在作用力,保证发光的稳定性?团队在导电纤维纬线的力学性能方面下足了功夫。

论文显示,团队用聚氨酯凝胶通过熔融挤出方法制备了高弹性的透明(透光率超过90%)高分子导电纤维。选择聚氨酯作为聚合物基体,就是因为它在织造过程中能够持久地摩擦、压缩和弯曲。

在编织过程中,该纤维由于线张力的作用,与发光纤维接触的区域发生弹性形变,并被织物交织的互锁结构所固定。“通过对高分子导电纤维的模量调控,使其在与发光经线交织时发生自适应弹性形变,从而形成稳定接触界面,并使得在纤维曲面上形成了类似平面的电场分布,从而确保了织物中‘像素点’的均匀稳定发光。”彭慧胜表示。

实验结果表明,在两根纤维发生相对滑移、旋转、弯曲的情况下,交织发光点亮度变动范围仍控制在5%以内,显示织物在对折、拉伸、按压循环变形条件下亦能保持亮度稳定,可耐受上百次的洗衣机洗涤。

不止发光显示,还可多功能集成

研究团队多年探索下来的编织策略还是通用的。他们基于编织方法实现了光伏织物、储能织物、触摸传感织物与显示织物的功能集成系统,使融合能量转换与存储、传感与显示等多功能于一身的织物系统成为可能。

论文中提到,团队创建了一个通过动态接触发挥功能的纺织键盘,他们编织低阻经线(镀银纱)和高阻纬线(碳纤维),经线纬线交叉点即形成键盘。

在电源方面,团队用光电阳极纱线来收集太阳能。光电阳极纱线是一根钛(Ti)线,其表面涂覆了以二氧化钛(TiO2)纳米管为电子传递层、染料分子为感光剂、碘化亚铜(CuI)为固体电解质的光活性层。他们将这些经线和纬线与由柔性二氧化锰涂覆碳纳米管纤维(阴极)、锌线(阳极)和硫酸锌凝胶电解质组装而成的电池纤维集成在一起,实现了在纺织品中发电和储电。

研究团队认为,通过显示器、键盘和电源这些纤维器件,他们可以为不同的应用设计各种多功能综合纺织系统。

作为概念验证,他们将编织显示器、键盘和电源连接到显示驱动程序、微控制器和蓝牙模块,并将集成的纺织系统用作交互式导航显示器。通过蓝牙模块,从智能手机获取的用户在丁字路口的实时位置被转移到纺织品上。

团队的多功能集成纺织系统也可以作为一个通信工具,信息可以输入并显示在纺织品上。他们使用数字1、2和3来演示了这一点,将每个数字分配给一个键,在按下相应的键时输出该数字。通过蓝牙模块,集成纺织系统和智能手机之间也可以发送、接收和显示信息。

研究团队的智能电子织物还展示了其在医疗保健领域的潜力。他们为此编织一块长24厘米、宽6厘米的大型展示纺织品。团队从玩赛车游戏的志愿者和冥想的志愿者身上分别收集了脑电图信号,放松组的脑电波频率多为低频,焦虑组的脑电波频率则多为高频。他们在计算机上对信号进行处理,并通过蓝牙模块将对应志愿者心理状态的文字发送给微控制器进行显示。

研究团队在论文中写道,“在未来,加上解码复杂脑电波的方法,我们设想像我们这样的展示纺织品会成为有效的辅助技术交流工具。”





十年磨一剑!复旦织1.5平方米“智能显示布”登上《自然》

系列应用。研究团队提供。(00:52)

研究团队还期待着,极地科考、地质勘探等野外工作场景中,只需在衣物上轻点几下,即可实时显示位置信息,地图导航由“衣”指引;把显示器“穿”在身上,语言障碍人群以此作为高效便捷交流和表达的工具……这些原存于想象中的场景,或许在不远将来就能走进人们的生活。

从研发思路的推陈出新,到连续制备关键技术的接连突破,到设备的自主设计研发,到工程化路线的不断优化……在十年磨一剑的坚持下,研究团队已把产品从实验室里“带了出来”,实现了发光纤维和织物的连续化稳定制备,致力于推动全柔性显示织物的规模化应用研究。

“基础和应用还是有很多的难点,但‘啃骨头’这个事情,大家相对来讲都有点躲。”彭慧胜对澎湃新闻记者表示,“但是现在国家的导向越来越有利了,所以我觉得后面可能大家在这方面会下更多功夫,很多问题应该会逐步解决。”

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