槳篤繪/編譯

一種將半導(dǎo)體器件嵌入纖維的技術(shù)可產(chǎn)生數(shù)百米長的無缺陷智能纖維。

用這些纖維編織成的服裝讓我們看見了可穿戴電子產(chǎn)品的奇妙未來。

試想這樣的畫面：一頂帽子能幫助盲人感知交通信號燈變化的同時又可水洗，一件衣服能作為穿著者游覽博物館時的向?qū)?。嵌有可探測和處理信號的半導(dǎo)體器件的智能柔性纖維有望實(shí)現(xiàn)這些神奇場景，而且此類纖維的性能在過去幾年里得到迅速提升，然而現(xiàn)有制造方法生產(chǎn)的半導(dǎo)體芯纖維可能存在斷裂等缺陷。汪志勛等人在《自然》（Nature）雜志上撰文報道了一種創(chuàng)新方法，將微小半導(dǎo)體元件送入纖維拉絲機(jī)，從而產(chǎn)生連續(xù)的高性能柔性纖維，它們可以彼此感知、通信和交互。

人類自石器時代以來就開始使用纖維，眼下的前沿探索是讓纖維功能不僅限于保暖。將半導(dǎo)體器件集成至纖維內(nèi)的一大挑戰(zhàn)在于可穿著性，而此時的纖維必須具備這幾個特點(diǎn)：柔韌且可扭轉(zhuǎn)，便于編織；可水洗，可重復(fù)使用；透氣，穿著舒適。許多研究人員著重考慮這幾個方面，于是創(chuàng)建由非晶半導(dǎo)體材料制成的智能纖維設(shè)備，不過終究是傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體才能帶來優(yōu)異的電子特性和性能。

另一種方法是生成帶有硅芯的玻璃包覆纖維，但此技術(shù)（稱為熔芯法）往往導(dǎo)致纖維易斷裂且有缺陷。汪等人首先對制造過程進(jìn)行了詳細(xì)力學(xué)分析，以確定引起斷裂的應(yīng)力源，從而克服了熔芯法的缺點(diǎn)。熔芯法首先將由硅或鍺制成的半導(dǎo)體線插入玻璃管內(nèi)（詳見配圖）。這兩種材料都被加熱到至少1000℃，軟化得足以拉成細(xì)絲，然后再被冷卻。

汪等人確定了應(yīng)力形成的兩個階段：半導(dǎo)體芯凝固點(diǎn)以及隨后的纖維冷卻階段。具體來說，他們發(fā)現(xiàn)，玻璃的黏滯性與金屬絲熔點(diǎn)的不匹配會在芯中引起應(yīng)力，材料熱膨脹率的差異也可導(dǎo)致應(yīng)力。研究團(tuán)隊(duì)證明，通過選擇正確材料組合可以緩解這兩方面的應(yīng)力問題：硅芯與超硬石英玻璃制成的包覆層配合良好，而鍺芯則在鋁硅酸鹽玻璃作包覆層時性能更佳。

汪等人制備得到的纖維無斷裂且質(zhì)量高，但玻璃包覆層限制了適用范圍。因此，研究團(tuán)隊(duì)將冷卻后的纖維浸入氫氟酸以去除玻璃外層，只留下半導(dǎo)體芯，然后將該芯與導(dǎo)電線一起送入聚合物管內(nèi)。整個結(jié)構(gòu)再次被加熱，并被拉成長達(dá)數(shù)百米的柔性纖維。由此制得的纖維采用p-n結(jié)形式，這是現(xiàn)代電子技術(shù)的基本構(gòu)建模塊，可以將光信號轉(zhuǎn)換為電流。這個過程有點(diǎn)像做拔絲糖——糖絲里嵌了微小、可控的電子元件。

汪等人證明他們的纖維可用于制造多種裝備。在一個應(yīng)用案例中，研究團(tuán)隊(duì)將纖維編織成一頂帽子，可用于感知交通燈信號。帽子收到的信號被發(fā)送至手機(jī)，當(dāng)燈變紅或變綠時，手機(jī)就會發(fā)出蜂鳴聲。在另一個案例中，纖維被編織成毛衣，用作光保真（Li-Fi）設(shè)備，這種技術(shù)以光頻率而非5G等無線網(wǎng)絡(luò)使用的射頻傳輸數(shù)據(jù)。毛衣探測到被編碼為光脈沖的圖像信號，接著便對這些信號進(jìn)行解碼以重建圖像。

研究團(tuán)隊(duì)還將他們的智能纖維編織成柔性腕帶，其性能優(yōu)于類似的心率監(jiān)測設(shè)備。目前可用的設(shè)備通常配置剛性傳感器，它們無法順著手腕形狀彎曲，因此可能產(chǎn)生不準(zhǔn)確的測量結(jié)果。汪等人的纖維性能與這些商用硅器件相當(dāng)，且還能承受高壓，例如水下3000米深度。如此這般，研究人員就可以佩戴腕帶檢測潛艇周圍的可見光。

新技術(shù)的另一關(guān)鍵優(yōu)勢在于工業(yè)化潛力。制造纖維的儀器包括用于生產(chǎn)電信行業(yè)商用光纖的纖維拉絲裝置。一旦產(chǎn)生纖維，就可借助紡織工業(yè)中廣泛使用的工具將它們編織成織物。

汪和同事的工作朝著將微型計(jì)算機(jī)嵌入日常服裝的目標(biāo)邁出了一大步。未來一個令人興奮的方向是為光纖配備更復(fù)雜器件，例如晶體管，并增加這些功能組件的密度。當(dāng)前方法的一個局限性是它需要后處理步驟才能將高質(zhì)量半導(dǎo)體嵌入光纖中。找到一種在制造過程中嵌入這些材料的方法將擴(kuò)大纖維的電子和光電應(yīng)用范圍。

鑒于汪等人開發(fā)的纖維中所嵌金屬線很容易連接到現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件，此技術(shù)有望幫助開發(fā)集成人機(jī)系統(tǒng)。這項(xiàng)工作也讓我們能夠暢想新一代智能纖維和織物，它們能讓用戶與周圍環(huán)境無縫交互，在日常生活里體驗(yàn)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)。

資料來源 Nature

本文作者賈曉婷（Xiaoting Jia）就職于美國弗吉尼亞理工大學(xué)布拉德利電氣與計(jì)算機(jī)工程系、材料科學(xué)與工程系和神經(jīng)科學(xué)學(xué)院；亞歷克斯 · 帕洛特（Alex Parrott）就職于弗吉尼亞理工大學(xué)布拉德利電氣與計(jì)算機(jī)工程系。