剑桥酷炫新发明：卷起来，一块布就是一个显示屏！
撰文：吴婷婷
编审：寇建超
这，听起来很像科幻小说的场景？
No，no，no！如今，剑桥大学的科研团队或将让这一切成为现实：
他们研发出了一种基于纺织物的智能显示屏，将智能传感器、LED 显示器、电能收集与存储直接集成到纺织物中，不仅能实时显示图表信息、交互触摸，还能够任意弯曲折卷，“一块布就是一个显示屏”。 图｜智能纺织显示屏可任意折叠、弯曲、卷起（动图素材来源：Nature Communications）
据介绍，该技术首次使用完全基于纤维的制造方法，将可扩展的、大面积的复杂系统集成到纺织品中，具有集成在日常物品上、可直接投入大规模机械生产的巨大潜力。
相关研究论文以“Smart textile lighting/display system with multifunctional fibre devices for large scale smart home and IoT applications”为题，已发表在科学期刊《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。
当纺织品=电子显示屏
随着“智能家居”“物联网”等概念的普及，如今，智能纺织品也成为科学家们的聚焦点之一。
如果大街小巷随处可见的纺织品能充当各类电子器件，我们的生活势必会变得更加便捷、酷炫。
不过目前，智能纺织品的功能、尺寸和形状仍然受到制造工艺的限制，还无法满足这一需求。
近年来，有相关研究提出，可以通过传统的编织或针织工艺，将某些特殊的“智能纤维”直接整合到纺织品中。一旦成功，就意味着它们可以被制成日常物品，从而大大扩展智能纺织品的潜在应用。
而在此次研究中，研究团队就成功制作了一个名为 F-devices 的智能纺织品系统，该原型设备大约 46 英寸，虽然外观与普通布艺纺织物别无二致，但却完全 可以作为电子显示屏运行，实时监测并显示射频信号、温度、光线、触摸信息、生物传感信息，还能自动收集并存储电量。
图｜智能纺织显示屏展示图（动图素材来源：Nature Communications）
同时，由于它是直接使用商业纺织品制造技术制成的，原材料为纺织纤维，可以被任意卷动、折叠，具备以往智能纺织物难以达到的灵活性与柔韧度。
图｜基于纺织物的智能显示屏（来源：Nature Communications） 研究团队表示，此次制造的原型显示器为下一代电子纺织品应用铺平了道路，这些应用可能涉及智能与节能建筑等领域，比如采用智能纺织物技术的建筑可以自行产生和存储能源。
此外，物联网、分布式传感器网络以及与纺织物集成的灵活且可穿戴的交互式显示器都将向前迈进一大步。
多重功能集于一体，太酷了！
那么，该系统具体是如何实现的？
首先，研究团队将 F-射频天线、F-光电探测器、F-触摸传感器、F-温度传感器、F-生物传感器模块、F-能量存储模块 6 大纤维部件集成起来，同时以 RGB 纤维为原材料，实现了显示屏的多重功能。
图｜a）F-devices内嵌的六大关键部件；b）直接使用车间的机械纺织技术织造该系统；c）原型智能纺织系统（来源：该论文）
其中，光电探测器与温度传感器用于环境监测，当接收输入信号后（比如被紫外线照射），该智能显示屏就会实时显示当前信息。 图 | 研究团队使用紫外线照射光学传感器，显示屏会播放对应信息（动图素材来源：Nature Communications）
图｜智能纺织显示屏实时监测并以图表形式展示当前温度变化（动图素材来源：Nature Communications）
而生物传感器则用于检测人体各项指标。
实验中，工作人员使用该系统读取自身心跳，显示屏则实时显示心电图。
图｜智能纺织显示屏实时监测心跳并显示心电图（动图素材来源：Nature Communications）
触摸传感器则被设计用于操作每个光纤设备，并在接收到触摸时会在纺织品显示器上显示一组预编码指令，为了实现现实生活应用，研究团队还在其中加入了智能小工具和物联网相关的 30 个执行术语（下图左侧表格）：
图 | 当触摸传感器接收到不同输入信号，会触发对应的指令并展示在显示屏上（动图素材来源：Nature Communications）
此外，研究团队还在这块智能纺织物显示屏中集成了电量收集与存储模块，从而保证可独立地向显示屏持续供电 5 分钟。
图 | 电量存储模块正在向显示屏供电，可维持5分钟左右（动图素材来源：Nature Communications）
未来或将“大有可为”
除了过硬的功能实现，为了让智能显示屏与编织工艺完美融合起来，研究团队还在每个纤维部件上涂覆了可以承受足够拉伸的材料，以便它们可以被直接用在纺织制造的机械设备中。
此外，为了提高智能显示屏的可靠性和耐用性，研究团队还编织了一些基于纤维的组件，经过 1000 次机械与电气稳定性测试以及防水测试发现，光纤部件等均无机械损伤，性能偏差也维持在稳定范围之内。
图 | 研究团队测试 F-devices 的防水性（动图素材来源： Nature Communications ）
最后，研究团队使用导电粘合剂和激光焊接技术将多个光纤组件连接在了一起，并成功地通过标准可扩展的纺织品制造工艺，将多种功能整合到了一大块机器纺织物中。
对此，此项研究的领导者之一、剑桥大学工程系教授 Jong min Kim 表示：
“我们的方法建立在微纳米技术、先进显示器、传感器、能源和工业纺织品制造的重重融合之上，这是朝着在日常应用中充分利用可持续、便捷的电子纤维和电子纺织品迈出的重要一步。”
目前，研究团队正在继续研究如何提高该技术的可持续性、以及如何应用于日常物品中，并致力于将可持续材料整合为纤维成分，以此提出一类新型的、基于纺织的能源系统。
而这些灵活而实用的智能纺织物，最终可以被制成电池、超级电容器、太阳能电池板和其他设备等。
正如另一位研究领导者、剑桥大学工程系教授 Luigi Occhipinti 所说：
“通过集成基于光纤的电子、光子、传感和能量功能，我们可以实现这样一类全新的智能设备和联合系统。此次研究是对纺织制造潜力的一次深入探索，通过该技术，我们很快就会看到能源自主的智能物联网设备，这些设备将可以无缝集成到我们的日常物品和许多其他行业应用中。”
对于智能纺织物，你有什么看法？欢迎在评论区分享～
参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28459-6#Fig4
https://www.techexplorist.com/fully-woven-smart-display/44664/
https://techxplore.com/news/2022-02-scientists-fully-woven-smart.html
报告人为论文一作曹书林，清华大学计算机系博士生，指导老师李涓子（智源研究员，清华大学科学与技术系教授）
预约直播： https://event.baai.ac.cn/activities/274
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