一塊1.5平方米的“布”，不僅能像顯示器一樣發光、展現不同的顏色與圖案，還可以清洗、彎折……這一“十年磨一劍”的成果于北京時間3月11日凌晨刊發在國際頂級期刊《自然》上。其背后的科研團隊來自中國上海的復旦大學。

“最近十多年來，人們希望織物不再是簡單的有某些單一功能，它還是智能的。什么叫智能？實際上大家還是有一些爭議的，我理解的智能是它和環境是可以形成一個反饋的。”復旦大學高分子科學系教授彭慧勝在接受澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者采訪時如是談起他研究多年的智能織物。

早在5000多年前，人類開始用包括蠶絲在內的自然界纖維材料制備衣服，功能從遮體、美觀逐漸延伸開來。而在彭慧勝等科學家們的設想中，未來的衣服不再僅僅是一件衣服，我們可以按照衣服上顯示的導航騎行、收發訊息，甚至在必要的時候可以顯示人的心理狀態……

這些均被定義為智能電子織物，被認為可有力推動傳統紡織制造和物聯網、人機交互、大數據、人工智能等新興領域的快速融合發展，有望催生新興技術，在某些方面給人們的生活方式帶來全新變革。

而如何將人們期待的功能有效集成到織物中，同時織物仍然能保持柔軟透氣、不易形變、耐洗、功能還依然穩定？目前科學界仍在致力于攻克多個難題。從2009年開始，彭慧勝領銜的團隊“十年磨一劍”于近日成功將顯示器件的制備與織物編織過程實現融合，在高分子復合纖維交織點集成多功能微型發光器件，揭示了纖維電極之間電場分布的獨特規律，實現了大面積柔性顯示織物和智能集成系統。

上述研究成果題為《大面積顯示織物及其功能集成系統》（“Large-area display textiles integrated with functional systems”）。彭慧勝和復旦大學青年研究員陳培寧為該論文通訊作者，復旦大學高分子科學系博士研究生施翔、碩士研究生左勇以及工程與應用技術研究院博士研究生翟鵬為論文第一作者。

經緯交錯

顯示作為電子設備的重要輸出端，在近幾十年來已經從剛性、笨重的面板發展到了柔性薄膜。然而，電子紡織品的結構及制造與例如有機發光二極管薄膜（OLEDs）這樣的傳統設備有著顯著差異。

一方面，紡織品由纖維編織而成，形成粗糙的多孔結構，它可以變形并適應人體輪廓。但與此同時，如果將薄膜裝置附著在紡織品粗糙和可變形的表面時，它們又往往表現不佳或隨著時間的推移而失效。此外，用于制造OLEDs的蒸發工藝也不適于大規模制造纖維電極。

彭慧勝等人致力于智能高分子纖維與織物研發已十余年。據介紹，早在2009年，團隊提出了聚丁二炔與取向碳納米管復合以制備新型電致變色纖維的研究思路。然而，電致變色僅在白天可見，晚上則無法被有效應用，使用時域被打上了折扣。

2015年，團隊在涂覆方法方面取得突破，成功解決共軛高分子活性層在高曲率纖維電極表面均勻成膜的難題，提出并實現了纖維聚合物發光電化學池，并通過編成織物實現了不同的發光圖案。但此種方法也有局限之處，經由發光纖維編織所顯示的圖案數量非常有限，無法實現平面顯示器中基于發光像素點的可控顯示。

如何在柔軟且直徑僅為幾十至幾百微米的纖維上構建可程序化控制的發光點陣列，是困擾團隊甚至這個領域的一大難題。

研究團隊在論文中提到，盡管例如光纖、聚合物發光電化學電池纖維和交流電發光纖維這樣的纖維發光器件，可以編織到發光紡織品中，但它們通常顯示預先設計的圖案，不能根據輸入的數字信號動態地實時控制像素。這在標準的顯示應用程序，比如計算機和移動電話中，是一個相當大的限制。

最終，編織中常見的經緯線交織解決了關鍵問題。在織物編織過程中，這樣的交織可以自然地形成類似于顯示器像素陣列的點陣。以此為靈感，彭慧勝團隊適時轉換了思路，他們著眼于研制兩種功能纖維——負載有發光活性材料的高分子復合發光纖維和透明導電的高分子凝膠纖維。

通過上述兩種功能纖維在編織過程中的經緯交織形成電致發光單元，并通過有效的電路控制實現新型柔性顯示織物。

發光經線

是什么使織物擁有了顯示特性？其內在結構如何？ “顯示織物內呈現獨特的搭接結構，由發光經線和導電緯線交錯而成。”彭慧勝解釋道。

從橫截面方向看，其中一根為涂覆有硫化鋅發光材料的導電紗線，另一根透明導電纖維通過編織與其經緯搭接。論文中提到，這種基于涂覆的方案是獲得連續發光長經線的一種簡單方法。

比起傳統的平板發光器件，發光纖維直徑可在0.2毫米至0.5毫米之間精確調控，奠定了其“超細超柔”的特性。但值得注意的是，如何在微米級直徑的纖維上連續涂覆均勻的發光材料涂層，構建得到發光強度高度一致的像素點陣？針對這一技術難題，彭慧勝團隊提出了“限域涂覆”制備路線。

論文顯示，團隊將導電紗線浸在硫化鋅熒光漿料中，在其固化之前穿過團隊自制的微針孔，微針孔沿著紗線長度和圓周方向使涂層光滑均勻。涂覆固化后即得到了能抵御外界摩擦、反復彎折的發光功能層。使用不同直徑的微針孔還可以用來調節發光層的厚度。研究團隊在這項研究中使用了大約7微米的優化厚度。

在評估發光涂層均勻性的試驗中，研究團隊發現，即使在扭曲的情況下，發光仍然穩定。對于一段30米長的纖維，其發光強度變化小于10%。纖維沿圓周的不同位置發光強度也幾乎相同，且與觀測角度無關。而帶有不均勻硫化鋅熒光涂層的纖維則顯示出不均勻的亮度，“這表明發光需要均勻的發光涂層。”

“施加交流電壓后，位于發光纖維上的高分子復合發光活性層在搭接點區域被電場激發，就形成一個個發光‘像素點’。”就這樣，在電場的激發下，電極和發光層憑借物理搭接即可實現有效發光，該方法可以將發光器件制備與織物編織過程相統一。

利用工業化編織設備，研究團隊實現了長6米、寬0.25米、包含大約50萬個發光點的發光織物。團隊還通過在硫化鋅熒光中摻雜不同的元素，如銅和錳，實現多色發光單元，得到多彩的顯示織物。

此外，通過調整織造參數來改變經緯接觸點之間的距離，團隊還可以很容易地調整發光單元的密度。在這項研究中，發光點之間最小的間距約為800微米。這也意味著能初步滿足部分實際應用的分辨率需求。

牢固緯線

發光只是解決問題的第一步。團隊研究發現，具有高曲率表面的纖維相互接觸時，在接觸區域會形成不均勻的電場分布，這樣的電場不利于器件在變形過程中穩定工作。而在現實生活中，穿在身上的衣服難免會有磕磕碰碰，也需日常清洗。

如何能使顯示織物適應外界環境的改變，乃至抵御住反復摩擦、彎折、拉伸等外在作用力，保證發光的穩定性？團隊在導電纖維緯線的力學性能方面下足了功夫。

論文顯示，團隊用聚氨酯凝膠通過熔融擠出方法制備了高彈性的透明（透光率超過90%）高分子導電纖維。選擇聚氨酯作為聚合物基體，就是因為它在織造過程中能夠持久地摩擦、壓縮和彎曲。

在編織過程中，該纖維由于線張力的作用，與發光纖維接觸的區域發生彈性形變，并被織物交織的互鎖結構所固定。“通過對高分子導電纖維的模量調控，使其在與發光經線交織時發生自適應彈性形變，從而形成穩定接觸界面，并使得在纖維曲面上形成了類似平面的電場分布，從而確保了織物中‘像素點’的均勻穩定發光。”彭慧勝表示。

實驗結果表明，在兩根纖維發生相對滑移、旋轉、彎曲的情況下，交織發光點亮度變動范圍仍控制在5%以內，顯示織物在對折、拉伸、按壓循環變形條件下亦能保持亮度穩定，可耐受上百次的洗衣機洗滌。

不止發光顯示，還可多功能集成

研究團隊多年探索下來的編織策略還是通用的。他們基于編織方法實現了光伏織物、儲能織物、觸摸傳感織物與顯示織物的功能集成系統，使融合能量轉換與存儲、傳感與顯示等多功能于一身的織物系統成為可能。

論文中提到，團隊創建了一個通過動態接觸發揮功能的紡織鍵盤，他們編織低阻經線（鍍銀紗）和高阻緯線（碳纖維），經線緯線交叉點即形成鍵盤。

在電源方面，團隊用光電陽極紗線來收集太陽能。光電陽極紗線是一根鈦(Ti)線，其表面涂覆了以二氧化鈦(TiO2)納米管為電子傳遞層、染料分子為感光劑、碘化亞銅(CuI)為固體電解質的光活性層。他們將這些經線和緯線與由柔性二氧化錳涂覆碳納米管纖維(陰極)、鋅線(陽極)和硫酸鋅凝膠電解質組裝而成的電池纖維集成在一起，實現了在紡織品中發電和儲電。

研究團隊認為，通過顯示器、鍵盤和電源這些纖維器件，他們可以為不同的應用設計各種多功能綜合紡織系統。

作為概念驗證，他們將編織顯示器、鍵盤和電源連接到顯示驅動程序、微控制器和藍牙模塊，并將集成的紡織系統用作交互式導航顯示器。通過藍牙模塊，從智能手機獲取的用戶在丁字路口的實時位置被轉移到紡織品上。

團隊的多功能集成紡織系統也可以作為一個通信工具，信息可以輸入并顯示在紡織品上。他們使用數字1、2和3來演示了這一點，將每個數字分配給一個鍵，在按下相應的鍵時輸出該數字。通過藍牙模塊，集成紡織系統和智能手機之間也可以發送、接收和顯示信息。

研究團隊的智能電子織物還展示了其在醫療保健領域的潛力。他們為此編織一塊長24厘米、寬6厘米的大型展示紡織品。團隊從玩賽車游戲的志愿者和冥想的志愿者身上分別收集了腦電圖信號，放松組的腦電波頻率多為低頻，焦慮組的腦電波頻率則多為高頻。他們在計算機上對信號進行處理，并通過藍牙模塊將對應志愿者心理狀態的文字發送給微控制器進行顯示。

研究團隊在論文中寫道，“在未來，加上解碼復雜腦電波的方法，我們設想像我們這樣的展示紡織品會成為有效的輔助技術交流工具。”

研究團隊還期待著，極地科考、地質勘探等野外工作場景中，只需在衣物上輕點幾下，即可實時顯示位置信息，地圖導航由“衣”指引；把顯示器“穿”在身上，語言障礙人群以此作為高效便捷交流和表達的工具……這些原存于想象中的場景，或許在不遠將來就能走進人們的生活。

從研發思路的推陳出新，到連續制備關鍵技術的接連突破，到設備的自主設計研發，到工程化路線的不斷優化……在十年磨一劍的堅持下，研究團隊已把產品從實驗室里“帶了出來”，實現了發光纖維和織物的連續化穩定制備，致力于推動全柔性顯示織物的規模化應用研究。

“基礎和應用還是有很多的難點，但‘啃骨頭’這個事情，大家相對來講都有點躲。”彭慧勝對澎湃新聞記者表示，“但是現在國家的導向越來越有利了，所以我覺得后面可能大家在這方面會下更多功夫，很多問題應該會逐步解決。”