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        纖維原料
        大纖維:編織未來智能世界
        時間:2017年8月15日  來源:文匯報

        說到纖維,人們馬上會聯想到紡紗織布。國際上正在醞釀的一場纖維革命,正試圖賦予纖維感知和信息處理功能,使傳統織物擁有生命和智能。屆時,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。

          國內專家第一時間捕捉到這一信息,率先在國際上提出“大纖維”概念。當下,國 內外圍繞智能纖維研發及其產業化的進程明顯加快,尤其是國內一些高校、研發機構及相關行業和企業,已紛紛關注并投身到這一破土而出的新領域。  

          所有故事源于纖維的改變

          作為構成物質世界和生命體基本組分 (單元) 的纖維和我們人類的生活息息相關,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,人們馬上會聯想到一維形態、柔韌性很好的纖細物態。然而時至今日,纖維還是那個纖維,但其內涵已大大改變。由于納米材料、高分子、半導體電子器件、軟件工程、纖維改性等諸多學科和技術的介入,纖維在變得更纖細、更耐磨、更抗拉的同時,正在被賦予電學、光學性能和信息收發、儲存功能。目前,國內外實驗室都已獲得能接收傳輸電信號或是能發光、發熱、儲能的纖維。

          一個以新型纖維材料為基礎,具備多材料、多結構、多功能特點,能夠感知、計算、儲能、通信、執行的新型智能材料家族,已經開始出現并走向市場。與此同時,纖維的超高性能化和綠色化將成為未來主流趨勢;智能、超能、綠色特征的進一步交叉融合,將催生許多全新的纖維品種,其中相當比例最終將轉化為巨大的商業價值。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科,不妨叫“大纖維科學”。

          中國人首先提出“大纖維”概念

          值得一提的是,由中國跨界專家組成的一個工作組兩年前就關注到這一大變革趨勢,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、機械、生物、能源等學科領域的技術突破與交叉融合,以“智能、超性能、綠色”為特征,具有多功能、多結構、多材料特性,能夠對傳統產業集群起到高滲透性、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的一批該領域權威專家認可。他們認為,“大纖維”的表述較智能纖維等,更接近現在人們對這場纖維革命本質的理解。

          纖維改變導致的性能上的變化,使得織物和服裝由原先的低功能物品轉變為高技術物品成為可能。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、多結構的智能纖維。在這樣的纖維變革背景下,未來紡織業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,派生出健康健身、節能環保、智能通信服務等一系列功能產品和服務行業。這也將是繼20世紀硅基芯片發明帶給人類社會翻天覆地變革后,由纖維帶來的勢必攪動21世紀社會進步進程的產業革命。

          從2014年起,德國就確立了名為“未來紡織”的國家級戰略項目(futureTEX)。在德國人看來,今天的紡織業已不再是一個傳統產業,而是基于新材料、節能環保、智能產品等創造出的全新行業、產品和服務。德國人對紡織業的定位是:“要讓新型紡織、纖維作為工業4.0的急先鋒,成為德國最有創新活力的行業之一。”同樣在歐盟重塑紡織服裝產業的創新計劃中,高性能、多功能和智能化纖維都是核心主題。

          全球范圍有關纖維改性的實驗室工作,2007年起就在《自然》雜志等刊出。歷經十年發展,特別是近年來隨著納米、材料、電子、信息等科技的加快滲透,這方面的發展出現拐點式增長勢頭。據美國領導革命性纖維計劃的麻省理工學院教授芬克今年4月的報告稱,纖維中所含設備或芯片數量每隔12個月會增長一倍,這種“智能纖維的摩爾定律”將創造出一個前所未有的全新行業。

          大纖維的應用領域

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

          T恤〓智能手機 芬克教授在前不久的一次報告中,開門見山地把 T恤和蘋果手機等同起來:蘋果手機良好功能的關鍵在于電子芯片,它結合了電子芯片和信息交流技術的優勢。但其實形成網絡讓人們去交流的關鍵物件是光導纖維。所以,蘋果手機和纖維本質上是相通的。

          可穿戴電子的未來 過去4年,麻省理工學院的研究團隊在做的就是試著讓纖維的功能最大化,試著去設計和生產能當作工具的纖維??梢园芽茖W家的工作想象成他們試圖在纖維內部建立一個完整的綜合插座,關鍵是這個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,有三個先決條件:首先,這種纖維需要多種材料構成,來源多樣化可導致功能多樣化。其二,將不同材料聚合在一起的構建過程也是決定最后功能的重要因素。因此,材料和構建同等重要。最后是纖維的尺度,即采用什么樣的尺寸才更適合纖維功能的發揮??茖W家們馬上想到的是,可以從集成度極高的半導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,那么它會識別聲音嗎?為了讓纖維識別聲音,研究人員把電子材料轉化為纖維,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的聲音。不僅如此,如果你對著纖維說話,它就會收集聲音并將其轉換成電子。大約一年前,這些工作就發表在 《自然·材料》 雜志上。之后,麻省理工的科學家團隊利用這一技術,研制出能夠傳遞聲音的纖維。這一成果的核心,就是使纖維發射不同頻率的波長。

          具有聽覺的纖維對我們有什么吸引力呢?很多人喜歡一邊跑步一邊聽音樂,可當你跑步的時候耳機總是掉,就會感覺很不舒服。一旦日后可以把這類纖維嵌入衣服中,形成振動波長,就足以引導聲音,這樣一來,就沒有必要往耳朵里塞東西,衣服會直接把聲音傳到耳朵??茖W家預計,很快人們就可能對這種實用性的纖維加以利用。

          變色纖維 科學家在纖維中加入了可以顯色的物質,這種物質見到光,會發生改變。在東華大學纖維材料改性國家重點實驗室里,一種能主動感知外界環境并作出相關反應的纖維,可以自己發電、發光、發熱、變色、變形。王宏志教授課題組經過多次反復實驗,已經實現纖維在通電環境下的自主變色。只要導入2-3伏的低電壓刺激,纖維就能在毫秒內實現紅、黃、藍三色變化,并能保持顏色達半小時。即使在扭曲、打結和編織的情況下,仍能變色。

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

          能發電、儲電的衣服 復旦大學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驗室正在探索研發的智能纖維導向實際應用的幾項實驗,包括能發電、儲電的衣服和可變色發光的衣服。未來我們穿著的衣服如果能發電的話,可以解決很多領域的用電需求,從而改變我們的生活。

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

          智能纖維的其他應用 智能纖維還有其他很多功能,比如可以把它做到可發熱、可制冷,以輕松應對一些極端條件。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,變身現實版“蜘蛛俠”。

          這種獨特纖維也可在醫學上開展重要應用,比如香港理工大學陶肖明團隊研發出一種新生兒黃疸光療設備,稱為“O-毯”,它包含一層發光織物,并夾在由面層、反光背面織物構成的覆蓋織物之間。這種布料由側發光聚合物光纖和紡織紗線組成,可提供波長440-460納米的照射,強度符合美國兒科學會的標準。把這種發光纖維做成毯子,所發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,同時也毋需讓嬰兒和母親分開。

          以上所介紹的智能纖維的各項功能,已在國內外不同實驗室先后成功得到可顯示的結果和數據,有些已從實驗走向樣品,少部分已在進行產業化前的放大試驗。也正因為如此,大纖維吸引了一批風險投資基金的關注,一部分具有前瞻性眼光的創新型企業,已開始進行產業化前期布局。

          當然,這一領域的中外科學家們坦言,以上進展基本上還處在實驗室階段,要將其中部分成果轉化為商品,還有很多科研工作需要完善。由智能纖維催生的大纖維產業革命絕不是天方夜譚,一個新的產業領域正在萌動。

          專家點評

          您認為這場大纖維產業革命的本質是什么? 它會影響和改變什么?

          劉德明 (華中科技大學教授):

          所謂“大纖維產業革命”,本質上是物聯網和人工智能在紡織業的一個應用延伸,也就是通過賦予纖維“感知”和“信息處理”功能,使傳統的織物變得擁有生命和智能。從這個意義上講,可以稱之為一場產業革命。

          這場產業革命將影響和改變紡織行業的各個方面,首先是智能纖維技術,涉及到紡織業和信息與互聯網技術的密切結合;其次是生產技術,即如何讓智能纖維與織物有機融合;第三是設計技術,主要解決這種具有生命的智能織物如何與傳統的設計有機結合;最后是應用技術。

          毫無疑問,在這場產業革命中,人工智能 (具體即指智能纖維技術)至關重要,但紡織業仍然是這場革命的主導力量,是最基礎的東西。

          這場纖維革命雖發端于織物,但它影響和改變的遠非紡織業。您認同這樣的理解嗎?

          作者:邱建榮 (浙江大學教授):

          認同。比如智能服裝能通過纖維收集著裝者的心跳數、姿勢、位置、心電圖等,及時了解其健康狀況。智能服裝可以說是各種功能元器件的集成系統,對各種纖維的構型和功能提出了新的更高要求。新的應用會促進人們對纖維以及其它材料的認識。

          您認為中國該如何抓住這場產業革命的機遇?

          現階段已經得到學界的普遍認同,感到這是一個很好的契機。接下來需要從上到下布局籌劃,加大宣傳普及,組織力量,進行實施。

          為什么市場上還沒有看到成熟的智能服裝產品?

          陶肖明 (香港理工大學教授):

          主要是產業鏈的問題。目前智能服裝的產業鏈還不存在。單個器件無法應用,必須成為系統,才能進行應用。由于智能服裝涉及的產業鏈很長,從器件到硬件、到軟件、到服務、到標準,沒有現成可借用的產業鏈。

          另外就是缺少橫貫紡織和電子兩個領域的人才。智能紡織品是紡織和電子兩個領域的跨界融合,雖然這兩個領域單個的發展都很成熟,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? 上海在其中可能發揮怎樣的作用?

          王健 (中國科技自動化聯盟秘書長、大纖維產業工作組組長):

          我們的基本判斷是:作為下一代工業革命使能技術,大纖維將給下游許多產業帶來深刻的影響,并從根本上改變這些產業的生態,從而誕生一個龐大的新興產業集群。“大纖維產業”將有力推動下一次工業革命的到來,徹底改變我們的生活方式,極大地促進人類社會的進步。

          我們呼吁通過協同創新,把上海建設成為大纖維材料與器件新技術和高端人才的發源地,促進信息、汽車、生物、醫學、能源等相關領域的快速發展,推動上海乃至全國的產業升級,在整體水平上超越其他國家,領跑國際市場。

          大纖維的產品形態

          一維纖維:

          基于光導纖維、無機纖維、有機纖維、金屬纖維、生物纖維、天然纖維等基礎纖維,通過智能化、綠色化、超能化技術改進的新一代纖維。

          二維織物:

          將大纖維與基礎纖維進行有機結合,通過特殊的加工工藝,如編織、互聯等,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:

          通過三維集成技術將多層二維織物堆疊鍵合,或將一維纖維與傳統三維器件結合,通過穿透襯底的三維互連,實現器件的智能化、超能化、綠色化。

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