智能紡織品為將技術(shù)融入日常生活提供了一個理想的平臺。然而，當(dāng)前的紡織電子系統(tǒng)通常依賴于剛性硅組件，這限制了無縫集成、能源效率和舒適性。由于缺乏動態(tài)能量開關(guān)載流子，無芯片電子系統(tǒng)仍然面臨數(shù)字邏輯挑戰(zhàn)。

在此，東華大學(xué)王宏志教授，侯成義副研究員和張青紅副研究員等人提出了一種無芯片人體耦合能量相互作用機制，用于通過單根光纖進行環(huán)境電磁能量收集和無線信號傳輸。光纖本身可實現(xiàn)無線視覺數(shù)字交互，而無需在紡織品上使用額外的芯片或電池。由于所有電子組件都合并在微型光纖中，因此有助于可擴展的制造以及與現(xiàn)代編織技術(shù)的兼容性，從而實現(xiàn)多功能和智能服裝，從而提出了一種可以解決硅基紡織系統(tǒng)問題的策略。

相關(guān)文章以“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”為題發(fā)表在Science上。

人類對互動有內(nèi)在的需求，而服裝是個人與環(huán)境之間的一種交流手段，使其成為這種互動的主要元素。?隨著可穿戴技術(shù)的進步，支持?jǐn)?shù)字設(shè)備的紡織電子產(chǎn)品已逐漸成為擴展此類交互的一種手段。紡織電子系統(tǒng)旨在為紡織品或纖維組件配備用于傳感、計算、顯示和通信的電子功能，這些系統(tǒng)通常包括但不限于傳感器和效應(yīng)器設(shè)備、能量存儲和收集器以及硅基處理器。?然而，這種基于馮·諾依曼架構(gòu)的智能紡織品模塊化電子系統(tǒng)對無縫集成、能源效率和穿著舒適性提出了挑戰(zhàn)。之所以出現(xiàn)這些挑戰(zhàn)，是因為當(dāng)前的架構(gòu)（包括無線模塊、微處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC））依賴于固有剛性集成電路芯片，功耗高，無法與柔軟的纖維和紡織品無縫銜接。因此，模塊化紡織電子產(chǎn)品的范式轉(zhuǎn)變是必要的，需要一種全新的無線能量交互機制，可以滿足日常生活的需求，無需電池、無芯片、可水洗和可編織。

為了實現(xiàn)上述愿景，我們試圖開發(fā)一種非馮·諾依曼架構(gòu)，將電子組件集成到單根光纖中。光纖本身可以執(zhí)行無線傳輸、感覺處理和反饋的作用，使其成為電子紡織品的組成部分。如果要以無線和無芯片的形式實現(xiàn)基于芯片的紡織系統(tǒng)的一個或多個交互功能，主要障礙如下：

（i）對于能量相互作用：在單根光纖中，同時限制和輻射能量或電信號似乎是一個悖論，因為不存在可以在振蕩和限制電荷對之間動態(tài)切換的能量相互作用機制，正如以前在光纖電子學(xué)中認(rèn)識到的那樣。在紡織品的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，相鄰的電子光纖暴露在相同的電磁（EM）環(huán)境中，依靠周圍電子纖維的感應(yīng)電磁場來轉(zhuǎn)換電荷對態(tài)是很困難的。

（ii）對于信號調(diào)制：電流信號調(diào)制原理依賴于復(fù)雜的模擬電路和眾多的電子元件，這些元件很難集成到常用的軟纖維中。?熱拉拔技術(shù)為制造數(shù)字光纖提供了解決方案。然而，考慮到毫米級芯片尺寸的限制，通過嵌入芯片進一步減小數(shù)字光纖的直徑變得具有挑戰(zhàn)性。此外，基于數(shù)字的電子界面不是肉眼可讀的，也不是人為的可調(diào)制的，阻礙了面向用戶的智能紡織品的沉浸式交互體驗。

本文提出了一種用于光纖電子的體耦合能量相互作用機制，該機制使用交互對象本身（人體）來耦合環(huán)境電磁能量。這種體耦合光纖電子技術(shù)可以在體和電子光纖之間產(chǎn)生束縛電荷對，可以在束縛態(tài)和輻射態(tài)之間交替，以無線發(fā)射傳感信號。

此外，在光纖天線中引入了電場敏感的發(fā)光電介質(zhì)，以提供人類可讀的反饋，并將傳感器和效應(yīng)器統(tǒng)一在單根光纖上。這種集成設(shè)計策略使紡織品擺脫了芯片、電池和任何其他剛性部件的束縛，允許將所有電子組件整合到微型纖維中，可與日常紡織品相媲美。

圖1. 耦合互動光纖的設(shè)計與原理。

圖2：通過身體耦合交互式光纖收集環(huán)境EM能量。

圖3：無線光號和電信號的調(diào)制和傳輸。

圖4：連續(xù)制造、織造和面料風(fēng)格評估

圖4：無芯片紡織電子產(chǎn)品的應(yīng)用。

大多數(shù)虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設(shè)備都需要佩戴剛性、笨重的頭盔進行交互，之前開發(fā)的一些基于織物的互動套裝，但這些套裝都使用固有的剛性硅基芯片，這阻礙了舒適的沉浸式互動體驗。

利用身體耦合光纖電子技術(shù)，本文開發(fā)了一種基于單纖維的交互式紡織品，并實現(xiàn)了對虛擬游戲的實時控制，開發(fā)的俄羅斯方塊的游戲演示，僅由紡織品上的光纖電子設(shè)備本身控制，它可以在不依賴芯片的情況下實現(xiàn)四種獨立的邏輯控制，這對于紡織品交互應(yīng)用非常重要。這種無芯片的紡織品交互系統(tǒng)有效地降低了在傳統(tǒng)的馮·諾依曼架構(gòu)下，用戶發(fā)射機的信號采集、處理、分析和編碼造成的系統(tǒng)延遲。為了展示無線光纖電子設(shè)備在智能家居中的潛力，作者還編織了大面積無線觸覺地毯。當(dāng)一個人踩在無線地毯的特定位置時，周圍的電磁場能量被耦合到腳底，可以激活光纖來可視化觸摸區(qū)域并傳輸放電引起的無線傳感信號。

綜上所述，本文開發(fā)了一種非模塊化的光纖電子技術(shù)，該技術(shù)使用交互對象本身來耦合環(huán)境電磁能量。這種能量交互機制允許將所有電子組件合并到微型光纖中，并在不依賴任何芯片的情況下實現(xiàn)無線傳感、顯示和邏輯交互功能。深入討論了電磁能量的無線采集和光纖電子中交互信號的無線傳輸。本文的方法能夠連續(xù)、可擴展地制造符合智能服裝要求的適形纖維電子產(chǎn)品。在輔助通信、智能家居和虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用說明了該技術(shù)在可穿戴電子產(chǎn)品和智能服裝中的廣泛適用性。

Weifeng Yang, Shaomei Lin, Wei Gong, Rongzhou Lin, Chengmei Jiang, Xin Yang, Yunhao Hu,

Jingjie Wang, Xiao Xiao, Kerui Li, Yaogang Li, Qinghong Zhang*, John S. Ho, Yuxin Liu,

Chengyi Hou*, Hongzhi Wang*, Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics, Science. (2024).