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复旦Nature论文实现《三体》科幻场景:把显示屏穿身上,还能导航、聊天那种

本文经机器之心(微信公众号:almosthuman2014)授权转载

每个人都是一个行走的显示屏,这并不是科幻小说里才有的场景。

最令罗辑心动的是他沿途遇到的人们…… 他们的衣服也都映出绚美的图案,每个人的风格都不同,有的写实有的抽象。

「以后都会知道的,现在好好休息吧。」医生轻轻地叹息了一声,「不过关于这个你还是不知道的好。」他转身走的时候,白大褂上出现了翻滚的乌云,护士的衣服上则映出了许多双大眼睛,有的目光惊惧,有的含着泪。

在刘慈欣的科幻小说《三体》中,主人公罗辑在冬眠了一百八十五年后来到了公元 2211 年。此时,人们的衣服已经能够根据穿着者情绪的变化,变幻不同的色彩、图案,每件衣服都相当于一块显示屏。

虽然距离 2211 年还有接近两百年的时间,但书中描写的这一景象似乎已经离我们不远了。

刚刚,新一期《Nature》杂志刊载了复旦大学高分子科学系教授彭慧胜团队的一项研究成果——《大面积显示织物及其功能集成系统》。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8

顾名思义,这种织物融合了显示器件的制备与织物编织过程,可以让衣服充当显示器使用,而且可以多次清洗、折叠,有很大的实用价值。审稿人认为,这项研究「创造了重要而有价值的新知识」。

在处理器的帮助下,人类脑电波可被转换为可读信息,并显示在织物上。

该织物系统包括显示屏、键盘和电源,因而可作为通信工具来使用。它可以用电池充电,甚至使用太阳能。

该织物系统中的显示屏、键盘和电源,及其相关的模块。

最重要的是,它还具备输入、沟通和导航等功能,是真正意义上的「可穿戴设备」。可以说,穿上它,你就是街上最「亮」的仔。

输入操作。
与手机之间的沟通操作。
真 · 可穿戴导航仪。

这种织物由一种直径不足半毫米的发光纤维编织而成,纤维颜色各异,看起来和寻常纱线没有太大差别。在织物编织过程中,经纬线的交织可以自然地形成类似于显示器像素阵列的点阵。

 

以此为灵感,团队着眼于研制两种功能纤维——负载有发光活性材料的高分子复合纤维和透明导电的高分子凝胶纤维,通过两者在编织过程中的经纬交织形成电致发光单元,并通过有效的电路控制实现新型柔性显示织物。
 

彭教授认为这可以改革沟通方式,「帮助存在声音、语音或语言困难的个体向他人表达自己」。

「我们希望这种织物材料能够改变我们与电子设备的交互方式,进而塑造下一代电子设备。」彭慧胜表示。

除了彭慧胜之外,复旦大学先进材料实验室副研究员陈培宁也是该论文的通讯作者。复旦大学高分子科学系博士研究生施翔、硕士研究生左勇以及工程与应用技术研究院博士研究生翟鹏为论文第一作者。

左二为复旦大学高分子科学系主任彭慧胜。图源:复旦大学微信公众号。

发光经纱 + 导电纬纱 = 显示织物

彭慧胜及其同事花费 10 年时间思考如何改进现有技术,并尝试了不同的纤维材料。但遗憾的是,有的材料要么无法在黑暗中显示,要么在纤维编织时表现不佳。

在多次尝试失败之后终于迎来了转机。他们在观察纺织面料结构以及织物经纬线的交织方式之后取得了突破。

基于对织物的观察,他们决定在织物纤维相交处创建微小的发光点,而这需要用到棉质或类似纤维交织在一起的发光经纱和导电纬纱。

在测试了不同组合之后,他们选择了涂有发光复合材料的镀银经纱以及某种凝胶制成的导电维纱。下图 1 为发光经纱、透明导电纬纱及其接触面积的力学特征:

织物的「线」准备好了,接下来需要将它们编织在一起。

该团队使用棉布将发光经纱和导电纬纱编织成了长 6 米、宽 25 厘米的大面积显示织物,其中包含大约 5×10^5 个 EL 单元(electroluminescent unit,电致发光单元)。数据显示,其中 600 个 EL 单元的发光强度的相对偏差在﹣6.3% 和 5.2% 之间,这表示这些纤维非常适合制作大面积的显示织物。

此外,这些 EL 单元不仅具有良好的发光性能,而且在经过 1000 次弯曲(bending)、拉伸(stretching)和按压(pressing)测试后仍能保持亮度稳定。

下图(左)为 EL 单元的特性,下图(右)为显示织物的结构和 EL 性能:
 

这种显示织物的耐用性怎么样呢?该团队表示,将该织物露天放置一个月,并经受 100 次清洗 - 干燥循环(wash-and-dry)和 10000 次折叠,依然能够保持稳定的亮度。

下图为聚氨酯离子凝胶纤维和EL单元的耐久性表现:

最后,彭慧胜教授希望这种材料能够帮助人们克服因健康问题或语言障碍带来的沟通问题,其团队还将继续做出改进,包括增加展示亮度、分辨率,以及发光点的颜色种类。

参考链接:https://www.ethicaleditor.com/tech/a-scarf-that-speaks-scientists-develop-message-display-fabric/

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