近日，劍橋大學電子工程博士生楊嘉傑聯合研發出一款 46 英寸的編織顯示器，可将智能傳感器、能量收集和存儲直接內建到織物中，進而輸出和折疊彩色影像。
圖 | 編織顯示器（來源：Nature Communications）
據悉，這是第一次使用完全基于纖維的制造方法，将可擴充的、大面積複雜系統內建到紡織品中。
2 月 10 日，相關論文以《智能紡織照明/顯示系統，配備多功能光纖裝置，用于大型智能家居和物聯網應用》（Smart textile lighting/display system with multifunctional fibre devices for large scale smart home and IoT applications）為題發表在Nature Communications上。
（來源：Nature Communications）
多年前科學家們就發現，通過傳統編織和針織工藝把特殊纖維整合到紡織品中，即可讓其融入日常用品，進而開辟潛在應用領域。然而，此前這些纖維的制造一直受到尺寸限制，相關技術和編織工藝也不相容。
為改善這一問題，楊嘉傑和所在團隊，給纖維元件塗上能承受足夠拉伸的材料，以便将它們用于紡織制造裝置。
圖 | 楊嘉傑（來源：楊嘉傑）
同時，該團隊還編織出一些基于纖維的元件，以提高可靠性和耐用性。最後，他們使用導電粘合劑和雷射焊接技術，将多個光纖元件連接配接一起。整體方法建立在微納米技術、先進顯示器、傳感器、能源和技術紡織品制造的融合之上。
結合這些技術，再通過标準、可擴充的紡織品制造技術，即可将多種功能整合到一大塊機織織物中。由此産生的織物可用于顯示器、監控各種輸入或存儲能量等。
當顯示器放映彩色映像時，即使正在播放影像，也能像正常布料那樣彎曲。裡面的傳感器和天線也由纖維構成，這些纖維可以檢測到射頻信号、觸摸、光線和溫度，在傳輸無線電力的同時還能儲存能量。
審稿人認為，此次展示的完全可操作的紡織系統，是智能家居和物聯網方面的革命性應用。其中，不少分立器件均展示了材料技術和制造技術的新穎性，包括顯示、電力傳輸、觸摸傳感、光電檢測、信号監測和能量存儲。
回顧研究曆程，楊嘉傑表示印象最深的便是手工編織布料。為把各個部件組合到布料中，該團隊購入一台手工織布機。織布機很簡易，由非常原始的材料木頭組成。
雖然大家都能熟練操作昂貴的精密儀器，但織布機還是頭一次用。分線時，要把成百根細線一根根地分開，然後再一根根地穿過洞眼。編織時，不僅要将梭子來回穿插，還得不斷手動調整、以確定成品布料的松緊均勻。
盡管原理非常簡單，但要織出一塊工整的布料，則十分考驗技巧和耐心，一塊毛巾大小的布就得編上好幾天。為了讓編織好的軟性紡織材料更具藝術感，他們還把毛邊編織成流蘇結。
研究人員表示，該顯示器在智能家居和物聯網中有着巨大潛力，并為下一代電子紡織品應用鋪平了道路，應用場景包括可以産生和儲存自身能源的節能建築、物聯網裝置、分布式傳感器網絡、以及互動式顯示器等。
不難想象，在不久的将來，家裡挂的一副窗簾其實就是電視機或顯示器。早上起床時，可以顯示溫度、天氣等資訊，甚至能在陰雨天提供室内照明，進而模拟自然太陽光。得益于其兼具柔韌性和耐磨性的紡織特性，開窗時還可把它自由折疊。
再想象一下，一般當參展商去參加展會，需要提早列印好海報，如果要顯示視訊，還得提前運送、并架設好顯示器。得益于本次紡織系統的可彎曲性和可卷曲性，以後隻需做好電子文檔，帶着輕便的紡織顯示器來到展覽館便可。而對于參展者來說，還可通過內建的觸摸傳感器與顯示器進行互動。
另據悉，該原型不僅可像電視一樣作為顯示彩色影像的顯示器，還可捕捉心髒活動、并将其顯示為心電圖。
目前，該團隊正在和歐洲的合作者合作，以使該技可用于日常物品。他們還将把可持續材料整合為纖維成分，以提供一種新型能源紡織系統。這種兼具柔性和功能性智能織物，最終可以制成電池、超級電容器、太陽能電池闆和其他裝置。
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參考：
1、Choi, H.W., Shin, DW., Yang, J. et al. Smart textile lighting/display system with multifunctional fibre devices for large scale smart home and IoT applications.Nat Commun13, 814 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28459-6