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大纖維：編織未來智能世界

作者：百檢網(wǎng) 時(shí)間：2021-12-16 來源：互聯(lián)網(wǎng)


這張創(chuàng)意圖旨在表達(dá)纖維、電子、芯片等在未來將融為一體。


說到纖維，人們馬上會(huì)聯(lián)想到紡紗織布。國際上正在醞釀的一場(chǎng)纖維革命，正試圖賦予纖維感知和信息處理功能，使傳統(tǒng)織物擁有生命和智能。屆時(shí)，改性后的纖維將作為一種載體，把物理世界、人體世界和虛擬世界連接起來。

國內(nèi)專家**時(shí)間捕捉到這一信息，**在國際上提出“大纖維”概念。當(dāng)下，國　內(nèi)外圍繞智能纖維研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程明顯加快，尤其是國內(nèi)一些高校、研發(fā)機(jī)構(gòu)及相關(guān)行業(yè)和企業(yè)，已紛紛關(guān)注并投身到這一破土而出的新領(lǐng)域。

所有故事源于纖維的改變

作為構(gòu)成物質(zhì)世界和生命體基本組分　(單元)　的纖維和我們?nèi)祟惖纳钕⑾⑾嚓P(guān)，衣被天下的棉麻桑羅、維持生命的基本膳食，究其本源無不是纖維。

說到纖維，人們馬上會(huì)聯(lián)想到一維形態(tài)、柔韌性很好的纖細(xì)物態(tài)。然而時(shí)至今日，纖維還是那個(gè)纖維，但其內(nèi)涵已大大改變。由于納米材料、高分子、半導(dǎo)體電子器件、軟件工程、纖維改性等諸多學(xué)科和技術(shù)的介入，纖維在變得更纖細(xì)、更耐磨、更抗拉的同時(shí)，正在被賦予電學(xué)、光學(xué)性能和信息收發(fā)、儲(chǔ)存功能。目前，國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室都已獲得能接收傳輸電信號(hào)或是能發(fā)光、發(fā)熱、儲(chǔ)能的纖維。

一個(gè)以新型纖維材料為基礎(chǔ)，具備多材料、多結(jié)構(gòu)、多功能特點(diǎn)，能夠感知、計(jì)算、儲(chǔ)能、通信、執(zhí)行的新型智能材料家族，已經(jīng)開始出現(xiàn)并走向市場(chǎng)。與此同時(shí)，纖維的超高性能化和綠色化將成為未來主流趨勢(shì)；智能、超能、綠色特征的進(jìn)一步交叉融合，將催生許多全新的纖維品種，其中相當(dāng)比例*終將轉(zhuǎn)化為巨大的商業(yè)價(jià)值。這一大類完全跨界的未來新型品類稱為“大纖維”，支撐大纖維的是一門新的交叉學(xué)科，不妨叫“大纖維科學(xué)”。

中國人**提出“大纖維”概念

值得一提的是，由中國跨界專家組成的一個(gè)工作組兩年前就關(guān)注到這一大變革趨勢(shì)，并一直在不遺余力地做這方面的信息收集、研判、傳播工作，并在一年前提出“大纖維”概念。所謂“大纖維”，是指基于材料、信息、機(jī)械、生物、能源等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)突破與交叉融合，以“智能、超性能、綠色”為特征，具有多功能、多結(jié)構(gòu)、多材料特性，能夠?qū)鹘y(tǒng)產(chǎn)業(yè)集群起到高滲透性、顛覆性、革命性提升效果的新一代纖維。

上述大纖維定義已得到包括美國工程院院士程正迪教授在內(nèi)的一批該領(lǐng)域權(quán)威專家認(rèn)可。他們認(rèn)為，“大纖維”的表述較智能纖維等，更接近現(xiàn)在人們對(duì)這場(chǎng)纖維革命本質(zhì)的理解。

纖維改變導(dǎo)致的性能上的變化，使得織物和服裝由原先的低功能物品轉(zhuǎn)變?yōu)楦呒夹g(shù)物品成為可能。美國在一年半前提出“革命性織物和纖維”的概念，這里說的革命性織物和纖維就是多材料、多結(jié)構(gòu)的智能纖維。在這樣的纖維變革背景下，未來紡織業(yè)將不再只是紡紗織布的概念，而是在提供滿足各種保暖、美觀需求的同時(shí)，派生出健康健身、節(jié)能環(huán)保、智能通信服務(wù)等一系列功能產(chǎn)品和服務(wù)行業(yè)。這也將是繼20世紀(jì)硅基芯片發(fā)明帶給人類社會(huì)翻天覆地變革后，由纖維帶來的勢(shì)必?cái)噭?dòng)21世紀(jì)社會(huì)進(jìn)步進(jìn)程的產(chǎn)業(yè)革命。

從2014年起，德國就確立了名為“未來紡織”的***戰(zhàn)略項(xiàng)目(futureTEX)。在德國人看來，今天的紡織業(yè)已不再是一個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，而是基于新材料、節(jié)能環(huán)保、智能產(chǎn)品等創(chuàng)造出的全新行業(yè)、產(chǎn)品和服務(wù)。德國人對(duì)紡織業(yè)的定位是：“要讓新型紡織、纖維作為工業(yè)4.0的急先鋒，成為德國*有創(chuàng)新活力的行業(yè)之一。”同樣在歐盟重塑紡織服裝產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新計(jì)劃中，高性能、多功能和智能化纖維都是核心主題。

全球范圍有關(guān)纖維改性的實(shí)驗(yàn)室工作，2007年起就在《自然》雜志等刊出。歷經(jīng)十年發(fā)展，特別是近年來隨著納米、材料、電子、信息等科技的加快滲透，這方面的發(fā)展出現(xiàn)拐點(diǎn)式增長(zhǎng)勢(shì)頭。據(jù)美國領(lǐng)導(dǎo)革命性纖維計(jì)劃的麻省理工學(xué)院教授芬克今年4月的報(bào)告稱，纖維中所含設(shè)備或芯片數(shù)量每隔12個(gè)月會(huì)增長(zhǎng)一倍，這種“智能纖維的摩爾定律”將創(chuàng)造出一個(gè)****的全新行業(yè)。

大纖維的應(yīng)用領(lǐng)域

讓我們從實(shí)用性和器物層面，來理解這場(chǎng)纖維革命將對(duì)人們的生活方式帶來哪些影響。

T恤〓智能手機(jī)　芬克教授在前不久的一次報(bào)告中，開門見山地把　T恤和蘋果手機(jī)等同起來：蘋果手機(jī)良好功能的關(guān)鍵在于電子芯片，它結(jié)合了電子芯片和信息交流技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。但其實(shí)形成網(wǎng)絡(luò)讓人們?nèi)ソ涣鞯年P(guān)鍵物件是光導(dǎo)纖維。所以，蘋果手機(jī)和纖維本質(zhì)上是相通的。

可穿戴電子的未來　過去4年，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在做的就是試著讓纖維的功能*大化，試著去設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能當(dāng)作工具的纖維。可以把科學(xué)家的工作想象成他們?cè)噲D在纖維內(nèi)部建立一個(gè)完整的綜合插座，關(guān)鍵是這個(gè)綜合插座不是粘貼或連接在纖維上的，而是纖維本身的一部分。

為了做到這一點(diǎn)，有三個(gè)先決條件：**，這種纖維需要多種材料構(gòu)成，來源多樣化可導(dǎo)致功能多樣化。其二，將不同材料聚合在一起的構(gòu)建過程也是決定*后功能的重要因素。因此，材料和構(gòu)建同等重要。*后是纖維的尺度，即采用什么樣的尺寸才更適合纖維功能的發(fā)揮。科學(xué)家們馬上想到的是，可以從集成度*高的半導(dǎo)體裝置那里得到啟示。

具有聽覺的纖維　既然纖維可以辨別物體，那么它會(huì)識(shí)別聲音嗎？為了讓纖維識(shí)別聲音，研究人員把電子材料轉(zhuǎn)化為纖維，并繪制出纖維圖。把纖維的金屬線頭連接起來，接到多插頭插座上，這樣就能聽到纖維傳導(dǎo)的聲音。不僅如此，如果你對(duì)著纖維說話，它就會(huì)收集聲音并將其轉(zhuǎn)換成電子。大約一年前，這些工作就發(fā)表在　《自然·材料》　雜志上。之后，麻省理工的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用這一技術(shù)，研制出能夠傳遞聲音的纖維。這一成果的核心，就是使纖維發(fā)射不同頻率的波長(zhǎng)。

具有聽覺的纖維對(duì)我們有什么吸引力呢？　很多人喜歡一邊跑步一邊聽音樂，可當(dāng)你跑步的時(shí)候耳機(jī)總是掉，就會(huì)感覺很不舒服。一旦日后可以把這類纖維嵌入衣服中，形成振動(dòng)波長(zhǎng)，就足以引導(dǎo)聲音，這樣一來，就沒有必要往耳朵里塞東西，衣服會(huì)直接把聲音傳到耳朵。科學(xué)家預(yù)計(jì)，很快人們就可能對(duì)這種實(shí)用性的纖維加以利用。

變色纖維　科學(xué)家在纖維中加入了可以顯色的物質(zhì)，這種物質(zhì)見到光，會(huì)發(fā)生改變。在東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室里，一種能主動(dòng)感知外界環(huán)境并作出相關(guān)反應(yīng)的纖維，可以自己發(fā)電、發(fā)光、發(fā)熱、變色、變形。王宏志教授課題組經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)纖維在通電環(huán)境下的自主變色。只要導(dǎo)入2－3伏的低電壓刺激，纖維就能在毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)紅、黃、藍(lán)三色變化，并能保持顏色達(dá)半小時(shí)。即使在扭曲、打結(jié)和編織的情況下，仍能變色。

香港理工大學(xué)陶肖明教授前兩年也開發(fā)出這種變色衣服，他們采用的是塑料光纖，目前可以將光纖與LED技術(shù)連接起來，以控制變色和變圖案。

能發(fā)電、儲(chǔ)電的衣服　復(fù)旦大學(xué)高分子系彭慧勝教授在近期的一次演講中，向聽眾展示了他的實(shí)驗(yàn)室正在探索研發(fā)的智能纖維導(dǎo)向?qū)嶋H應(yīng)用的幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，包括能發(fā)電、儲(chǔ)電的衣服和可變色發(fā)光的衣服。未來我們穿著的衣服如果能發(fā)電的話，可以解決很多領(lǐng)域的用電需求，從而改變我們的生活。

要做成這種發(fā)電的衣服，**要得到能發(fā)電的纖維。研究人員發(fā)明了一種名為“取向碳納米管纖維”的獨(dú)特材料，它的電導(dǎo)率與金屬相當(dāng)，可以制作成纖維碳納米管電池，然后制成衣服，這樣一件衣服一個(gè)白天　(10小時(shí))　可發(fā)電6.1萬毫安時(shí)，其電量可以為蘋果手機(jī)充電4次。

智能纖維的其他應(yīng)用　智能纖維還有其他很多功能，比如可以把它做到可發(fā)熱、可制冷，以輕松應(yīng)對(duì)一些*端條件。再比如，可以把有粘附功能的纖維做成手套，只要你戴上手套，就可以在墻壁上爬行，變身現(xiàn)實(shí)版“蜘蛛俠”。

這種獨(dú)特纖維也可在醫(yī)學(xué)上開展重要應(yīng)用，比如香港理工大學(xué)陶肖明團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新生兒黃疸光療設(shè)備，稱為“O－毯”，它包含一層發(fā)光織物，并夾在由面層、反光背面織物構(gòu)成的覆蓋織物之間。這種布料由側(cè)發(fā)光聚合物光纖和紡織紗線組成，可提供波長(zhǎng)440－460納米的照射，強(qiáng)度符合美國兒科學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。把這種發(fā)光纖維做成毯子，所發(fā)出的柔和光可治療新生兒黃疸，這樣就不需要把嬰兒放在冷冰冰的治療箱里，而只要將毯子裹住嬰兒，就能起到更好的治療作用，同時(shí)也毋需讓嬰兒和母親分開。

以上所介紹的智能纖維的各項(xiàng)功能，已在國內(nèi)外不同實(shí)驗(yàn)室先后成功得到可顯示的結(jié)果和數(shù)據(jù)，有些已從實(shí)驗(yàn)走向樣品，少部分已在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化前的放大試驗(yàn)。也正因?yàn)槿绱耍罄w維吸引了一批風(fēng)險(xiǎn)投資基金的關(guān)注，一部分具有前瞻性眼光的創(chuàng)新型企業(yè)，已開始進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化前期布局。

當(dāng)然，這一領(lǐng)域的中外科學(xué)家們坦言，以上進(jìn)展基本上還處在實(shí)驗(yàn)室階段，要將其中部分成果轉(zhuǎn)化為商品，還有很多科研工作需要完善。由智能纖維催生的大纖維產(chǎn)業(yè)革命絕不是天方夜譚，一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域正在萌動(dòng)。

(本文基于國內(nèi)外多位專家的材料綜合而成，其中包括美國工程院院士程正迪教授、麻省理工學(xué)院芬克教授、中佛羅里達(dá)大學(xué)陶光明博士，大纖維產(chǎn)業(yè)工作組王健研究員、東華大學(xué)朱美芳教授、復(fù)旦大學(xué)彭慧勝教授等，特此致謝! )

專家點(diǎn)評(píng)

您認(rèn)為這場(chǎng)大纖維產(chǎn)業(yè)革命的本質(zhì)是什么？　它會(huì)影響和改變什么？

劉德明　(華中科技大學(xué)教授)：

所謂“大纖維產(chǎn)業(yè)革命”，本質(zhì)上是物聯(lián)網(wǎng)和人工智能在紡織業(yè)的一個(gè)應(yīng)用延伸，也就是通過賦予纖維“感知”和“信息處理”功能，使傳統(tǒng)的織物變得擁有生命和智能。從這個(gè)意義上講，可以稱之為一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命。

這場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命將影響和改變紡織行業(yè)的各個(gè)方面，**是智能纖維技術(shù)，涉及到紡織業(yè)和信息與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的密切結(jié)合；其次是生產(chǎn)技術(shù)，即如何讓智能纖維與織物有機(jī)融合；第三是設(shè)計(jì)技術(shù)，主要解決這種具有生命的智能織物如何與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合；*后是應(yīng)用技術(shù)。

毫無疑問，在這場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命中，人工智能　(具體即指智能纖維技術(shù))至關(guān)重要，但紡織業(yè)仍然是這場(chǎng)革命的主導(dǎo)力量，是*基礎(chǔ)的東西。

這場(chǎng)纖維革命雖發(fā)端于織物，但它影響和改變的遠(yuǎn)非紡織業(yè)。您認(rèn)同這樣的理解嗎？

邱建榮　(浙江大學(xué)教授)：

認(rèn)同。比如智能服裝能通過纖維收集著裝者的心跳數(shù)、姿勢(shì)、位置、心電圖等，及時(shí)了解其健康狀況。智能服裝可以說是各種功能元器件的集成系統(tǒng)，對(duì)各種纖維的構(gòu)型和功能提出了新的更高要求。新的應(yīng)用會(huì)促進(jìn)人們對(duì)纖維以及其它材料的認(rèn)識(shí)。

您認(rèn)為中國該如何抓住這場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命的機(jī)遇？

現(xiàn)階段已經(jīng)得到學(xué)界的普遍認(rèn)同，感到這是一個(gè)很好的契機(jī)。接下來需要從上到下布局籌劃，加大宣傳普及，組織力量，進(jìn)行實(shí)施。

為什么市場(chǎng)上還沒有看到成熟的智能服裝產(chǎn)品？

陶肖明　(香港理工大學(xué)教授)：

主要是產(chǎn)業(yè)鏈的問題。目前智能服裝的產(chǎn)業(yè)鏈還不存在。單個(gè)器件無法應(yīng)用，必須成為系統(tǒng)，才能進(jìn)行應(yīng)用。由于智能服裝涉及的產(chǎn)業(yè)鏈很長(zhǎng)，從器件到硬件、到軟件、到服務(wù)、到標(biāo)準(zhǔn)，沒有現(xiàn)成可借用的產(chǎn)業(yè)鏈。

另外就是缺少橫貫紡織和電子兩個(gè)領(lǐng)域的人才。智能紡織品是紡織和電子兩個(gè)領(lǐng)域的跨界融合，雖然這兩個(gè)領(lǐng)域單個(gè)的發(fā)展都很成熟，但缺少連接的橋梁。

作為大纖維概念的提出者，您和大纖維工作組專家提出這一概念的基本判斷是什么？　上海在其中可能發(fā)揮怎樣的作用？

王健　(中國科技自動(dòng)化聯(lián)盟秘書長(zhǎng)、大纖維產(chǎn)業(yè)工作組組長(zhǎng))：

我們的基本判斷是：作為下一代工業(yè)革命使能技術(shù)，大纖維將給下游許多產(chǎn)業(yè)帶來深刻的影響，并從根本上改變這些產(chǎn)業(yè)的生態(tài)，從而誕生一個(gè)龐大的新興產(chǎn)業(yè)集群。“大纖維產(chǎn)業(yè)”將有力推動(dòng)下一次工業(yè)革命的到來，徹底改變我們的生活方式，*大地促進(jìn)人類社會(huì)的進(jìn)步。

我們呼吁通過協(xié)同創(chuàng)新，把上海建設(shè)成為大纖維材料與器件新技術(shù)和高端人才的發(fā)源地，促進(jìn)信息、汽車、生物、醫(yī)學(xué)、能源等相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展，推動(dòng)上海乃至全國的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，在整體水平上超越其他國家，領(lǐng)跑國際市場(chǎng)。

大纖維的產(chǎn)品形態(tài)

一維纖維：

基于光導(dǎo)纖維、無機(jī)纖維、有機(jī)纖維、金屬纖維、生物纖維、天然纖維等基礎(chǔ)纖維，通過智能化、綠色化、超能化技術(shù)改進(jìn)的新一代纖維。

二維織物：

將大纖維與基礎(chǔ)纖維進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過特殊的加工工藝，如編織、互聯(lián)等，形成具有智能、超能、綠色等特征的新型二維織物材料。

三維器件：

通過三維集成技術(shù)將多層二維織物堆疊鍵合，或?qū)⒁痪S纖維與傳統(tǒng)三維器件結(jié)合，通過穿透襯底的三維互連，實(shí)現(xiàn)器件的智能化、超能化、綠色化。（江世亮）

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