图 “人体耦合”智能纤维的工作机制及其与传统电子织物的对比
在国家自然科学基金项目（批准号：52131303、52073057）等资助下，东华大学材料科学与工程学院先进功能材料课题组王宏志教授团队在“非冯·诺伊曼架构”新型智能纤维研究方面取得进展。研究成果以“基于人体耦合纤维的无芯片电子织物（Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics）”为题，于2024年4月5日在《科学》（Science）杂志上发表，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk3755。
智能可穿戴设备正逐渐成为我们生活的一部分，并在健康监测、远程医疗和人机交互等领域发挥着越来越重要的作用。相较于传统刚性半导体元件或柔性薄膜器件等，由智能纤维编织而成的电子纺织品具有更好的透气性和柔软度，被视为理想的可穿戴设备载体。目前，智能纤维的开发多基于冯·诺依曼架构，即以硅基芯片作为信息处理核心开发各种电子纤维功能模块，如信号采集的传感纤维、信号传输的导电纤维、信息显示的发光纤维、能量供应的发电纤维等。尽管这些功能单元可组合制成织物形态，但这种复杂的多模块集成技术还面临着一系列挑战。现阶段的智能纺织品仍依赖于芯片和电池，体积、重量和刚性大，难以同时满足人们对纺织品功能性和舒适性的需求。
鉴于此，东华大学研究团队提出一种“人体耦合”机制，即以人体作为能量交互的载体，利用纤维、人体和大地构成的回路收集环境中的电磁能量，并直接将其转换为射频信号和可见光。该工作实现了将能量采集、信息感知、信号传输等功能集成于单根纤维中，并通过编织制成不依赖芯片和电池的智能纺织品。这种非冯·诺依曼架构有效地简化了可穿戴设备和智能纺织品的硬件结构，优化了它们的可穿戴性。
该工作还展示了这种基于人体耦合原理的智能纤维的几种应用：在不使用芯片和电池的情况下，实现了纤维触控发光、织物显示以及无线指令传输等功能。这些新颖的功能有望拓展电子产品的应用场景，甚至改变人们智慧生活的方式。