纤维技术最近的突破使得功能材料可以与紧密接口组装成具有特定几何形状的单纤维，在大面积上提供多样化的功能，例如作为传感器、能量收集和存储，以及显示和医疗设备。由于半导体是决定器件性能的关键组件，因此在纤维内部选择、控制和工程半导体是实现高性能功能纤维的关键途径。然而，由于高成品纤维热拉伸过程中的应力发展和毛细管不稳定性，半导体芯中的裂纹和变形都显著影响了这些纤维的性能。

2024年2月1日，新加坡南洋理工大学魏磊教授、高华健教授，中国科学院深圳先进院陈明副研究员、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲研究员等在 Nature 期刊发表了题为：High-quality semiconductor fibres via mechanical design 的研究论文。

该研究开发了一种制作内置电子元件纤维的新方法，将半导体线集成到一个单一的柔性纤维中，并与金属电极形成良好的界面，从而实现光电子纤维和大规模光电子织物，这种纤维织物可用于可穿戴电子设备，其潜在应用包括能感知交通灯变化的帽子（可帮助视障人士），以及用于心脏监测的柔性设备。该研究提供了对极限力学和流体动力学的基本见解，并提供了传统平台无法实现的几何形状，从根本上解决了对柔性和可穿戴光电子设备日益增长的需求。

可检测和处理信号的可穿戴电子元件能用含有半导体器件的纤维制成。但制造过程可能会产生缺陷，限制这些纤维的性能。魏磊团队等评估了纤维制造过程，以确定断裂和缺陷如何产生。利用这些信息，他们修改了加工技术以及半导体和纤维材料的结合，以生产出具有光电特性的高性能柔性纤维。

为展示这种材料的能力，研究团队制作了一系列实验性装置。例如，他们将纤维编成一顶帽子，能感知交通灯的光信号，从而为视力障碍人士提供协助。帽子检测到的光信号被传输到一个手机，在交通灯由红转绿时提醒用户。他们还将纤维编入手环，制成可穿戴心脏监测器，性能与市售设备相当，但比刚性传感器更贴合手腕。这些纤维展现出压缩条件下的耐久性且防水（可洗衣机水洗），适用于水下应用。

Nature 同期配发了来自弗吉尼亚理工大学贾晓婷和Alex Parrott的新闻与观点文章：

Flexible fibres take fabrics into the information age。

该文章指出，这一技术的一个优势在于其在工业上已准备就绪。制造这些纤维的设备包括一个纤维牵引装置，该装置已经在电信业中用于生产商用光纤。一旦这些纤维制成，就可以利用纺织业已广泛使用的工具，将其编织成织物。这项工作在将微型计算机嵌入日常服装的方向上实现了一个飞跃。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06946-0

https://www.nature.com/articles/d41586-024-00076-x

转自：“生物世界”微信公众号

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