东华大学，今日重磅Science！

智能纺织品为将技术融入日常生活提供了一个理想的平台。然而，当前的纺织电子系统通常依赖于刚性硅组件，这限制了无缝集成、能源效率和舒适性。由于缺乏动态能量开关载流子，无芯片电子系统仍然面临数字逻辑挑战。

在此，东华大学王宏志教授，侯成义副研究员和张青红副研究员等人提出了一种无芯片人体耦合能量相互作用机制，用于通过单根光纤进行环境电磁能量收集和无线信号传输。光纤本身可实现无线视觉数字交互，而无需在纺织品上使用额外的芯片或电池。由于所有电子组件都合并在微型光纤中，因此有助于可扩展的制造以及与现代编织技术的兼容性，从而实现多功能和智能服装，从而提出了一种可以解决硅基纺织系统问题的策略。

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人类对互动有内在的需求，而服装是个人与环境之间的一种交流手段，使其成为这种互动的主要元素。 随着可穿戴技术的进步，支持数字设备的纺织电子产品已逐渐成为扩展此类交互的一种手段。纺织电子系统旨在为纺织品或纤维组件配备用于传感、计算、显示和通信的电子功能，这些系统通常包括但不限于传感器和效应器设备、能量存储和收集器以及硅基处理器。 然而，这种基于冯·诺依曼架构的智能纺织品模块化电子系统对无缝集成、能源效率和穿着舒适性提出了挑战。之所以出现这些挑战，是因为当前的架构（包括无线模块、微处理器和模数转换器（ADC））依赖于固有刚性集成电路芯片，功耗高，无法与柔软的纤维和纺织品无缝衔接。因此，模块化纺织电子产品的范式转变是必要的，需要一种全新的无线能量交互机制，可以满足日常生活的需求，无需电池、无芯片、可水洗和可编织。

为了实现上述愿景，我们试图开发一种非冯·诺依曼架构，将电子组件集成到单根光纤中。光纤本身可以执行无线传输、感觉处理和反馈的作用，使其成为电子纺织品的组成部分。如果要以无线和无芯片的形式实现基于芯片的纺织系统的一个或多个交互功能，主要障碍如下：

（i）对于能量相互作用：在单根光纤中，同时限制和辐射能量或电信号似乎是一个悖论，因为不存在可以在振荡和限制电荷对之间动态切换的能量相互作用机制，正如以前在光纤电子学中认识到的那样。在纺织品的拓扑结构中，相邻的电子光纤暴露在相同的电磁（EM）环境中，依靠周围电子纤维的感应电磁场来转换电荷对态是很困难的。

（ii）对于信号调制：电流信号调制原理依赖于复杂的模拟电路和众多的电子元件，这些元件很难集成到常用的软纤维中。 热拉拔技术为制造数字光纤提供了解决方案。然而，考虑到毫米级芯片尺寸的限制，通过嵌入芯片进一步减小数字光纤的直径变得具有挑战性。此外，基于数字的电子界面不是肉眼可读的，也不是人为的可调制的，阻碍了面向用户的智能纺织品的沉浸式交互体验。

本文提出了一种用于光纤电子的体耦合能量相互作用机制，该机制使用交互对象本身（人体）来耦合环境电磁能量。这种体耦合光纤电子技术可以在体和电子光纤之间产生束缚电荷对，可以在束缚态和辐射态之间交替，以无线发射传感信号。

此外，在光纤天线中引入了电场敏感的发光电介质，以提供人类可读的反馈，并将传感器和效应器统一在单根光纤上。这种集成设计策略使纺织品摆脱了芯片、电池和任何其他刚性部件的束缚，允许将所有电子组件整合到微型纤维中，可与日常纺织品相媲美。

图1. 耦合互动光纤的设计与原理。

图2：通过身体耦合交互式光纤收集环境EM能量。

图3：无线光号和电信号的调制和传输。

图4：连续制造、织造和面料风格评估

图4：无芯片纺织电子产品的应用。

大多数虚拟现实和增强现实设备都需要佩戴刚性、笨重的头盔进行交互，之前开发的一些基于织物的互动套装，但这些套装都使用固有的刚性硅基芯片，这阻碍了舒适的沉浸式互动体验。

利用身体耦合光纤电子技术，本文开发了一种基于单纤维的交互式纺织品，并实现了对虚拟游戏的实时控制，开发的俄罗斯方块的游戏演示，仅由纺织品上的光纤电子设备本身控制，它可以在不依赖芯片的情况下实现四种独立的逻辑控制，这对于纺织品交互应用非常重要。这种无芯片的纺织品交互系统有效地降低了在传统的冯·诺依曼架构下，用户发射机的信号采集、处理、分析和编码造成的系统延迟。为了展示无线光纤电子设备在智能家居中的潜力，作者还编织了大面积无线触觉地毯。当一个人踩在无线地毯的特定位置时，周围的电磁场能量被耦合到脚底，可以激活光纤来可视化触摸区域并传输放电引起的无线传感信号。

综上所述，本文开发了一种非模块化的光纤电子技术，该技术使用交互对象本身来耦合环境电磁能量。这种能量交互机制允许将所有电子组件合并到微型光纤中，并在不依赖任何芯片的情况下实现无线传感、显示和逻辑交互功能。深入讨论了电磁能量的无线采集和光纤电子中交互信号的无线传输。本文的方法能够连续、可扩展地制造符合智能服装要求的适形纤维电子产品。在辅助通信、智能家居和虚拟现实中的应用说明了该技术在可穿戴电子产品和智能服装中的广泛适用性。

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).