高性能柔性纤维问世！物联网时代能为可穿戴设备带来哪些机遇和挑战?

试想一下，一顶可清洗的帽子可以帮助盲人感知交通信号灯的变化，或者一件衣服可以在穿戴者穿梭于博物馆时充当导游。这些技术可以利用配备了能检测和处理信号的半导体器件的智能柔性纤维来实现，而且这种纤维的性能在过去几年中得到了飞速发展。然而，现有的制造方法可能会生产出半导体芯断裂、有缺陷的线。

以硅锗为代表的半导体是现代电子产业的“大脑”—芯片不可或缺的关键材料。这些无机半导体在化学及热稳定性，电学性能，规模化生产等方面具有不可比拟的优势。然而在电子产业拥抱柔性化的新趋势下，这些半导体的本征脆性给科学家和工程师们带来了不小的挑战。

近日，新加坡南洋理工大学魏磊副教授团队/高华健院士团队、中国科学院深圳先进技术研究院杨春雷/陈明研究团队和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团队合作，以熔融芯法纤维形成三个阶段（粘性流动、芯结晶和随后的冷却）的应力分布和毛细管不稳定性的理论研究为指导，通过核心半导体材料和壳体材料的机械匹配原则，突破了脆性无机半导体材料的纤维柔性化技术，实现了超长、无断裂和无扰动无机半导体纤维的连续化制备。

然后，采用新开发的收敛热拉法将半导体纤维集成到具有不同设计的导体、半导体和绝缘体复合结构中，由此获得的光电纤维在 2 V 偏压下表现出高达 0.55 A W-1 的响应度和短至 900 ns 的响应时间，与商用平面型光电探测器相当，解决了高性能的无机半导体材料与热拉法制备纤维的兼容性问题。

随着物联网的飞速发展，可穿戴设备因其诱人的潜在应用而成为最新的物联网前沿。可穿戴设备的优点包括方便、易用和实时服务。然而，如果我们真的要扩展到当前的应用程序之外，还需要克服一些令人生畏的设计和开发挑战。

可穿戴物联网分为四类：健康、娱乐、跟踪和定位以及安全。到目前为止，苹果和Fitbit等公司提供的以娱乐为导向的可穿戴设备可以帮助用户监控自己的体重和运动量。使医生能够远程监控患者的医疗级可穿戴设备属于第一类。但可穿戴设备可以做得更多。他们还可以为老年人提供紧急护理，监测婴儿，并在临床试验期间帮助收集数据。

一、新的可穿戴设备

不那么明显，更舒服

新的可穿戴设备将为用户提供更多的选择，而不仅仅是以手表的方式佩戴，这对那些不愿意为自己的可穿戴设备做广告的人来说是一个加分。将物联网设备嵌入戒指、手镯、皮带和眼镜等其他配件中，可穿戴的用途就不那么明显了。

面料中内置传感器

将物联网传感器嵌入到衬衫、裤子、袜子或鞋子的织物中是侵入性最小的方法。折叠和拉伸以适合身体的衣服可以包含收集数据的电子元件。与织物接触的皮肤或汗液产生的数据可能包括佩戴者的心率、血压、血糖水平、血氧水平、体温和活动。例如，医疗技术初创公司Rhaeos最近开发了一种可穿戴设备，用于对患有脑积水的患者进行无创监测。此外，可穿戴设备还可以用来监视、跟踪和保护消费者最关心的人。

婴儿猝死综合症是新父母的噩梦。这是一个相对罕见但很关键的现象。除此之外，其原因仍不得而知。大多数父母都在半夜起床检查新生儿的呼吸状况，这加剧了他们的疲惫和睡眠不足。让宝宝穿一件用物联网织物制成的衬衫，并通过一个应用程序跟踪宝宝的呼吸，可以帮助父母放松，睡得比依赖传统的婴儿监护仪更好。该应用程序会提醒父母呼吸异常或中断。总部位于纽约的初创公司Nanit为新生婴儿及其睡眼朦胧的父母开发了这样一款可穿戴设备。

物联网织物还可用于跟踪老人、医院患者和儿童。织物中的GPS跟踪器可以发送警报，例如，当痴呆症患者走失或青少年未在预期时间到达目的地时。这种可穿戴设备也可用于高风险环境，如建筑工地或登山探险，在那里每个人的行踪都必须交代清楚。

由于物联网织物制成的衣服与身体有许多接触点，因此也有可能在系统中包含比其他类型的可穿戴设备所允许的更多功能。例如，物联网衬衫可以获得额外的血氧和血糖水平数据，而不仅仅是监测用户的心率和活动水平。这样，对用户的观察就会更全面、更准确。

二、未来面临的设计挑战

站在新的前沿无疑是令人兴奋的，但也具有挑战性。除了灵活易用的人机界面外，物联网面料还需要耐寒、精准、自给自足。

耐寒性：振动,碰撞,日常磨损,可机洗

例如，一旦有人穿上一件用物联网织物制成的衬衫，这件衬衫或任何其他物联网服装将体验到与用户体验相同的振动、碰撞和日常磨损。因此，织物需要增韧以保持完整性和功能性，如果可机洗的话更是如此。由于加固物联网设备通常需要在设备周围添加保护材料，因此不清楚如何将此策略应用于物联网织物而不影响其灵活性或耐磨性。

准确性：如何确保在数据收集过程中保持一致性和统一的接触？

物联网织物的磨损可能影响其收集数据的准确性。安装更多的传感器或不同类型的传感器将有助于确保数据的准确性。使用附加的和不同的传感器，可以交叉引用和支持不同类型的数据。

多个传感器还可以延长产品寿命，即使一个或多个传感器停止工作，也可以继续进行数据收集和分析。然而，在织物中嵌入多个传感器会增加设计成本和复杂性。

数据收集：传感器需要小型化

另一个挑战是如何在不影响织物纹理的情况下，在织物中包含多个传感器。使传感器小型化可能是一种使其对佩戴者更透明的方法。然而，传感器也必须执行，以便连续地收集和传输数据。平衡性能和外形因素的斗争可能会造成发展瓶颈。

能源供应：太阳能,获取身体热量,运动

最后，物联网结构所做的一切都需要稳定的电源支持。物联网结构面临着与其他物联网设备相同的问题，即如何在保持高性能的同时尽可能高效地消耗尽可能少的能源。使用低功耗微控制器单元和睡眠模式可能是一个很好的方式来节省能源。另一方面，无需更换过期电池即可获得能量也有助于提高能效。

许多研究都在从身体热量和运动或振动中获取能量。然而，增加从环境中获取能量并将其提供给织物，物物联网系统的能力将增加设计、开发和生产的复杂性。

未来展望

全球越来越多的老年人将继续推动对新的可穿戴技术的需求。就像蓝牙饰品在珠宝市场上留下的印记一样，可穿戴设备也可能对时尚行业的服装行业产生影响。

设计物联网织物和扩大其生产规模将是非常困难的，但没有人能说这是不值得的。毕竟，这种努力将使织物将物联网的力量带到日常生活中。这种技术的潜在应用仅受人的想象力的限制。