大纤维:编织未来智能世界
发表时间:2017-08-14      发表评论()

  说到纤维,人们马上会联想到纺纱织布。国际上正在酝酿的一场纤维革命,正试图赋予纤维感知和信息处理功能,使传统织物拥有生命和智能。届时,改性后的纤维将作为一种载体,把物理世界、人体世界和虚拟世界连接起来。

  国内专家第一时间捕捉到这一信息,率先在国际上提出“大纤维”概念。当下,国 内外围绕智能纤维研发及其产业化的进程明显加快,尤其是国内一些高校、研发机构及相关行业和企业,已纷纷关注并投身到这一破土而出的新领域。

  所有故事源于纤维的改变

  作为构成物质世界和生命体基本组分 (单元) 的纤维和我们人类的生活息息相关,衣被天下的棉麻桑罗、维持生命的基本膳食,究其本源无不是纤维。

  说到纤维,人们马上会联想到一维形态、柔韧性很好的纤细物态。然而时至今日,纤维还是那个纤维,但其内涵已大大改变。由于纳米材料、高分子、半导体电子器件、软件工程、纤维改性等诸多学科和技术的介入,纤维在变得更纤细、更耐磨、更抗拉的同时,正在被赋予电学、光学性能和信息收发、储存功能。目前,国内外实验室都已获得能接收传输电信号或是能发光、发热、储能的纤维。

  一个以新型纤维材料为基础,具备多材料、多结构、多功能特点,能够感知、计算、储能、通信、执行的新型智能材料家族,已经开始出现并走向市场。与此同时,纤维的超高性能化和绿色化将成为未来主流趋势;智能、超能、绿色特征的进一步交叉融合,将催生许多全新的纤维品种,其中相当比例最终将转化为巨大的商业价值。这一大类完全跨界的未来新型品类称为“大纤维”,支撑大纤维的是一门新的交叉学科,不妨叫“大纤维科学”。

  中国人首先提出“大纤维”概念

  值得一提的是,由中国跨界专家组成的一个工作组两年前就关注到这一大变革趋势,并一直在不遗余力地做这方面的信息收集、研判、传播工作,并在一年前提出“大纤维”概念。所谓“大纤维”,是指基于材料、信息、机械、生物、能源等学科领域的技术突破与交叉融合,以“智能、超性能、绿色”为特征,具有多功能、多结构、多材料特性,能够对传统产业集群起到高渗透性、颠覆性、革命性提升效果的新一代纤维。

  上述大纤维定义已得到包括美国工程院院士程正迪教授在内的一批该领域权威专家认可。他们认为,“大纤维”的表述较智能纤维等,更接近现在人们对这场纤维革命本质的理解。

  纤维改变导致的性能上的变化,使得织物和服装由原先的低功能物品转变为高技术物品成为可能。美国在一年半前提出“革命性织物和纤维”的概念,这里说的革命性织物和纤维就是多材料、多结构的智能纤维。在这样的纤维变革背景下,未来纺织业将不再只是纺纱织布的概念,而是在提供满足各种保暖、美观需求的同时,派生出健康健身、节能环保、智能通信服务等一系列功能产品和服务行业。这也将是继20世纪硅基芯片发明带给人类社会翻天覆地变革后,由纤维带来的势必搅动21世纪社会进步进程的产业革命。

  从2014年起,德国就确立了名为“未来纺织”的国家级战略项目(futureTEX)。在德国人看来,今天的纺织业已不再是一个传统产业,而是基于新材料、节能环保、智能产品等创造出的全新行业、产品和服务。德国人对纺织业的定位是:“要让新型纺织、纤维作为工业4.0的急先锋,成为德国最有创新活力的行业之一。”同样在欧盟重塑纺织服装产业的创新计划中,高性能、多功能和智能化纤维都是核心主题。

  全球范围有关纤维改性的实验室工作,2007年起就在《自然》杂志等刊出。历经十年发展,特别是近年来随着纳米、材料、电子、信息等科技的加快渗透,这方面的发展出现拐点式增长势头。据美国领导革命性纤维计划的麻省理工学院教授芬克今年4月的报告称,纤维中所含设备或芯片数量每隔12个月会增长一倍,这种“智能纤维的摩尔定律”将创造出一个前所未有的全新行业。

  大纤维的应用领域

  让我们从实用性和器物层面,来理解这场纤维革命将对人们的生活方式带来哪些影响。

  T恤〓智能手机 芬克教授在前不久的一次报告中,开门见山地把 T恤和苹果手机等同起来:苹果手机良好功能的关键在于电子芯片,它结合了电子芯片和信息交流技术的优势。但其实形成网络让人们去交流的关键物件是光导纤维。所以,苹果手机和纤维本质上是相通的。

  可穿戴电子的未来 过去4年,麻省理工学院的研究团队在做的就是试着让纤维的功能最大化,试着去设计和生产能当作工具的纤维。可以把科学家的工作想象成他们试图在纤维内部建立一个完整的综合插座,关键是这个综合插座不是粘贴或连接在纤维上的,而是纤维本身的一部分。

  为了做到这一点,有三个先决条件:首先,这种纤维需要多种材料构成,来源多样化可导致功能多样化。其二,将不同材料聚合在一起的构建过程也是决定最后功能的重要因素。因此,材料和构建同等重要。最后是纤维的尺度,即采用什么样的尺寸才更适合纤维功能的发挥。科学家们马上想到的是,可以从集成度极高的半导体装置那里得到启示。

  具有听觉的纤维 既然纤维可以辨别物体,那么它会识别声音吗?为了让纤维识别声音,研究人员把电子材料转化为纤维,并绘制出纤维图。把纤维的金属线头连接起来,接到多插头插座上,这样就能听到纤维传导的声音。不仅如此,如果你对着纤维说话,它就会收集声音并将其转换成电子。大约一年前,这些工作就发表在 《自然·材料》 杂志上。之后,麻省理工的科学家团队利用这一技术,研制出能够传递声音的纤维。这一成果的核心,就是使纤维发射不同频率的波长。

  具有听觉的纤维