織物電子：“穿”在身上的“計算機” 從“被動醫療”走向“主動健康”

把一臺計算機做成智能衣服舒適地“穿”在身上將成為現實。

不過，這還取決于織物電子領域的未來發展。近日，香山科學會議在北京召開“織物電子、傳感和計算的學術前沿、核心技術與應用展望”學術討論會，與會專家首次系統論述了“織物電子、傳感與計算”這一新概念。

“以織物電子為支撐理論和技術的智能織物與服裝將驅動人類社會邁向泛智能時代，重構人類生活和生存方式，催生新興戰略產業。”此次會議執行主席之一、電子科技大學移動計算中心教授陳東義在報告中指出。

首提新概念

織物電子是一個典型的交叉學科和匯聚工程，與多個領域緊密相關。會議執行主席之一、中國工程院院士俞建勇指出，織物電子是基于技術演進提出的新概念，涉及到電子織物在傳感執行和計算上的功能實現等領域。

會上，陳東義系統梳理了織物電子、智能織物、智能服裝等相關概念的內涵、關系及區別。例如，織物電子與和它含義最接近的柔性電子也有區別。“柔性電子是將有機或無機材料電子器件制作在柔性或可延性塑料或薄金屬基板上，通常包含電子元器件、柔性基板、交聯導電體和黏合層等4個部分，主要采用‘印刷’的方式實現。”陳東義告訴《中國科學報》，“但是，織物電子則不一定是這樣的結構，可以采用有機、無機和蛋白纖維材料，也不一定要通過‘印刷’實現，而是可以用編織、刺繡、針織、熔噴與黏合等工藝。”

據此，和與會專家進行深入討論后，陳東義明確提出了這樣的概念：“織物電子是在纖維或纖維集合體(或面料)維度上生成電路、傳感(執行)、能量和計算器件的電子技術。”

這一概念的提出得到與會專家的普遍認同。“因此，‘織物電子系統’主要包括柔性傳感器、柔性執行器、織物顯示器、織物天線、產能和儲能器及電子系統等。”會議執行主席之一、香港理工大學紡織及服裝學系講座教授陶肖明在報告中指出。

會議執行主席之一、鄭州大學副校長王宗敏則認為，該領域應在織物材料、織物傳感與電子器件、織物電路與連接、算法與軟件、織物系統(智能服裝)與應用等幾個層面展開系統性和綜合性研究。

面臨諸多挑戰

簡單地說，織物電子的含義就是要將一臺計算機做成一件衣服，真正“穿”在身上。

與會專家看到，目前大多數智能服裝研究仍專注于如何將器件和模塊縫制或嵌入到衣服中，忽視了纖維和織物電子研發與加工技術問題。“這令電子器件與智能服飾難以充分融合。”陳東義表示。

作為一個嶄新的領域，織物電子的發展面臨諸多挑戰，亟待從科學上取得突破。例如，材料方面須在實現電氣性能的同時滿足特定的機械和化學性能要求;設計環節涉及在織物和纖維層次上構造傳感、計算器件或集成電路，目前尚無成熟的設計自動化與分析工具;電子織物對制造環境要求苛刻，缺乏技術標準、測試方法和制造設備等。

中國科學院深圳先進技術研究院研究員王磊強調：“常規剛性計算設備(芯片等)與柔性服裝物理難以兼容的問題需要解決。另外，目前幾乎還沒有能夠囊括多尺度、多材料科學和工程工具的既定標準來指導智能服裝系統的設計、制造和評估。”

與會專家認為，多學科應通力合作、深入交叉，形成有效的跨學科機制，共同迎接這些挑戰。

“殺手級”應用牽引

“殺手級”應用往往是推動新興產業發展的驅動力。對于織物電子而言，與會專家認為，“殺手級”應用有望從健康與醫療應用上切入。

通過身著智能服裝收集的長時間、實時的人體生理數據，在全新的算法下，將讓醫學專家獲得與人體健康相關的意想不到的新信息。“比如體溫，如果能夠實現1秒鐘測一次，長時間24小時測下來，我們可以對人體代謝水平有更深入的了解。”中國中醫科學院教授張啟明在會議發言中表示，“我對能夠實現這個目標的智能服裝、傳感器非常期待。”

據介紹，一些前瞻性研究已經取得進展。例如，中國科學院計算技術研究所研究員陳益強團隊提出新的無線傳感方式，實現了超低成本和功耗的傳感;中原工學院紡織學院教授熊帆團隊提出織物干電極的新構造與原理，設計出與之相匹配的新算法;電子科技大學生物醫學工程系教授饒妮妮團隊基于心電監護的醫學數據，發展了復雜疾病監護與輔助診斷的計算技術。

與會專家相信，基于織物電子的智能系統能在健康醫療領域大顯身手，助力健康醫學從“被動醫療”走向“主動健康”。(甘曉)