集成電路的發(fā)展促進了日益強大的電子設(shè)備的微型化,，但是在無約束的人類行為中無縫集成電子系統(tǒng)到可穿戴設(shè)備仍然具有挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)電子設(shè)備通常笨重而剛性,，難以滿足可穿戴設(shè)備的靈活要求。一種有前景的解決方案是減小它們的厚度,，增加其柔韌性,，并使其更容易附著到人體上。一種有前景的途徑是薄膜電子設(shè)備，例如電子皮膚,，在近年取得了顯著的成功,。1D配置的纖維電子設(shè)備非常靈活和可拉伸，可以編織成舒適透氣的紡織品,，與可穿戴設(shè)計相容,。

  纖維設(shè)備已經(jīng)在能量收集、存儲,、發(fā)光和傳感等方面取得了最近的功能性發(fā)展,，并帶頭構(gòu)建了紡織電子系統(tǒng)作為功能強大且多功能的設(shè)備，可以設(shè)計具有互補功能,。然而,，與平面設(shè)備相比，纖維設(shè)備具備了高度曲面,，這給常用于制作笨重和薄膜微電子器件的集成方法帶來了挑戰(zhàn),。將扭曲的線程編織到紡織品中是一種解決這些挑戰(zhàn)的策略，通過提供豐富的交織點以實現(xiàn)快速和高效的電氣互連,，同時保持紡織品的透氣性并提供穩(wěn)定的接口和良好的柔韌性,。

  2024年3月1日，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝院士課題組開發(fā)了一種新的扭曲制備工藝,，用來制造纖維電極,，使其能夠編織成功能性線程并整合到紡織品中。通過這一種設(shè)計,，能夠保持穩(wěn)定的接口性能和良好的柔韌性,，并且在紡織品結(jié)構(gòu)中有利于實現(xiàn)高效的電路連接。電子紡織品能定制為顯示器,、健康監(jiān)測器和電源等功能,。整個制備過程約需10天，適合具有能源和電子設(shè)備制備經(jīng)驗的研究人員易于復(fù)制,。該研究成果以“Design and fabrication of wearable electronic textiles using twisted fiber-based threads”為題,，發(fā)表在Nature Protocols上。該論文共同第一作者是復(fù)旦大學(xué)的張鎧麟博士,施翔博士, 江海波博士, 曾凱雯博士后,。

  在電子線程的設(shè)計和制備方面,，該工藝利用扭曲結(jié)構(gòu)構(gòu)建了一系列穩(wěn)定的纖維電極，并基于此制備了三種不同功能的纖維設(shè)備,。首先,，在電導(dǎo)纖維基底上涂覆或電鍍活性材料以制備纖維電極，然后將纖維陽極和陰極扭曲成線狀設(shè)備,。扭曲結(jié)構(gòu)提供了適量的內(nèi)部應(yīng)力,，確保了纖維設(shè)備的穩(wěn)定性,，并使其很適合日常穿戴紡織品。通過調(diào)整扭曲的方式,，作者制備線電池,、線電化學(xué)傳感器和線電致發(fā)光器件等代表性纖維設(shè)備——通過精細調(diào)節(jié)制備參數(shù)，實現(xiàn)了高性能的纖維鋰離子電池（TLIBs）,、微型傳感器系統(tǒng)（MSTs）,、纖維發(fā)光電極器件（TELDs）以及集成紡織系統(tǒng)。

  在電路設(shè)計和將電子線程集成到紡織系統(tǒng)中的過程中,，作者設(shè)計了有組織的纖維設(shè)備排列和互連電路,，組裝成供能、傳感和顯示模塊,。還開發(fā)了邏輯電路來連接不同的功能模塊,，并利用導(dǎo)電纖維。能源供應(yīng)和傳感模塊分別連接到微控制器,，用于能量分配的控制和傳感信號的實時采集,。最后，作為一個原型,，作者成功地將該系統(tǒng)縫制在一件夾克上,，并能夠?qū)崟r顯示志愿者的汗液離子水平。

  制備TLIBs的詳細步驟,，包括清潔纖維電流收集器,、正極漿料的制備,、負極漿料的制備,、纖維陽極的制備、電池組件的裝配,、注入電解液和密封,、以及TLIBs的結(jié)構(gòu)表征和電化學(xué)測試步驟。這些步驟描述了從準備材料到組裝成電池,、進行結(jié)構(gòu)表征和電化學(xué)測試的過程,，確保了TLIBs的制備過程標準化和可重復(fù)性，以及對其性能的全面評估,。

  圖2 線狀鋰離子電池的制備示意圖和結(jié)構(gòu),。a. 連續(xù)制備纖維陽極和纖維陰極所使用的設(shè)置的示意圖。b. 封裝分隔膜的示意圖,。c. 通過扭曲過程組裝電池單元的示意圖,。d-g. 纖維陽極（d）、纖維陰極（e）,、帶有分隔膜的纖維陽極（f）和扭曲的電池單元（g）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像,。比例尺為200 μm（d和e，左）、20 μm（d和e,，右）和500 μm（f和g）,。h. 拆解的TLIB以展示其組件，包括正極,、負極,、分隔膜和封裝管。比例尺為4 mm,。

  接著文章描述了制備MSTs的步驟以及對其結(jié)構(gòu)特性和感測性能的表征,。這中間還包括了制備碳納米管（CNT）纖維、離子傳感器纖維,、過氧化氫傳感器纖維,、葡萄糖傳感器纖維和參考電極的步驟。制備過程中涉及到各種化學(xué)溶液的配制,、涂覆,、干燥、存儲等步驟,，以及使用化學(xué)氣相沉積和電化學(xué)方法,。最后，對MSTs的結(jié)構(gòu)和感測性能進行了表征,，包括掃描電子顯微鏡觀察,、電化學(xué)測試和柔性電子測試等。

  圖3 MST的示意圖和結(jié)構(gòu),。a–c,，檢測H 2 O 2 （a）、離子（b）和葡萄糖（c）的SSFs的示意圖（i）和SEM圖像（ii）,。比例尺,，25 μm（ii，左）和1 μm（ii,，右）,。d，參考電極的示意圖（i）和SEM圖像（ii）,。比例尺,，25 μm（ii，左）和1 μm（ii,，右）,。e，SSFs上的絕緣涂層的SEM圖像（i）和集成到MST中的單獨SSFs的SEM圖像（ii）,。比例尺,，10 μm（ii,，左）和20 μm（ii，右）,。f和g,，用于空間分析（f）和多重監(jiān)測（g）的MSTs的示意圖（i和ii）和SEM圖像（iii）。比例尺,，50 μm,。

  TELDs由光纖發(fā)光電極和碳納米管（CNT）帶組成。制備光纖發(fā)光電極包括對不銹鋼絲進行清潔,、涂覆氧化鋅（ZnO）前驅(qū)體溶液和活性發(fā)光混合漿料,，然后對其進行真空干燥和存儲。CNT帶的制備包括通過電子束蒸發(fā)法在硅片上沉積鋁氧化物和鐵薄膜,，然后將其放入管式爐中進行化學(xué)氣相沉積以生長碳納米管,，最后切割并固定CNT帶。TELDs的組裝涉及將CNT帶纏繞在光纖發(fā)光電極上,，同時設(shè)置旋轉(zhuǎn)和平移運動來實現(xiàn)均勻纏繞,。最后，對TELDs的結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能進行了表征,，包括形貌分析和發(fā)光強度測量,，以及在經(jīng)歷彎曲后的發(fā)光性能測試。

  圖4 電致發(fā)光器件（TELD）的制備示意圖和結(jié)構(gòu),。a,，光纖發(fā)光電極的制備示意圖。b–d,，裸不銹鋼絲（b）,，氧化鋅納米顆粒層（c）和電致發(fā)光聚合物層（d）的高倍率掃描電鏡（SEM）圖像。比例尺,，250納米（b）,，400納米（c）和5微米（d）。e,，將碳納米管帶纏繞在修改后的不銹鋼絲周圍以制備TELD的示意圖。f,，直徑為127微米,、施加9V電壓的照明TELD的照片。比例尺,，200微米,。g，TELD的SEM圖像,。比例尺,，150微米,。

  在這一部分中，作者描述了如何將電子線纜組裝到紡織系統(tǒng)中,，包括電子線在紡織物上的排列,、不同模塊之間的連接以及將紡織系統(tǒng)連接到外部集成電路的過程。最重要的包含以下幾個步驟：

  1. 在紡織品上設(shè)計電路布局,，包括能源供應(yīng),、感應(yīng)和顯示模塊，以及每個模塊與微控制器和顯示模塊驅(qū)動器之間的互連,。

  2. 將設(shè)計的電路布局打印在熱轉(zhuǎn)印紙上,，并使用剪刀去除空白區(qū)域，然后將轉(zhuǎn)印紙平鋪在紡織品上進行熱轉(zhuǎn)印,，以將電路圖案轉(zhuǎn)移到紡織品上,。

  3. 使用數(shù)位縫紉機將電子線纜縫制到紡織品上，形成感應(yīng)和顯示模塊,，并使用銀涂料和焊接機將碳納米管電極連接到導(dǎo)電線. 將微控制器和顯示模塊驅(qū)動器通過連接器連接到紡織電路,，建立電池與微控制器、電極與微控制器,、以及電極與顯示模塊之間的連接,。

  5. 將主控板連接到其他電路板，包括顯示模塊驅(qū)動器,、傳感模塊板和下載器,，然后通過下載器將預(yù)先編寫的程序刷新到微控制器上。

  6. 測試紡織系統(tǒng)的功能性,，包括讀取來自纖維傳感器的數(shù)據(jù),、依次點亮電致發(fā)光器件以驗證印刷電路板的穩(wěn)定性和可靠性，并通過藍牙將數(shù)據(jù)傳輸回智能手機進行監(jiān)控和記錄,。

  7. 將集成紡織品縫制到夾克袖子的上臂上,，確保線纜電池已經(jīng)預(yù)先充電，并通過操作顯示模塊來確認集成紡織品的正常功能,。

  8. 志愿者進行有氧運動,，保持出汗?fàn)顟B(tài)，然后通過紡織系統(tǒng)中的顯示模塊實時觀察志愿者汗液中的離子水平,，以驗證紡織系統(tǒng)的功能性,。

  圖5 集成到紡織系統(tǒng)中的示意圖。a,、將電子線纜縫制到紡織品中的照片,。比例尺，5 毫米,。b,、顯示導(dǎo)電纖維作為連接線被數(shù)控縫紉機縫入紡織品中的照片,。比例尺，5 毫米,。c–e,、顯示連接線縫入紡織品中的照片。比例尺,，2 厘米,。f、顯示通過焊接電子線纜連接紡織品中的連接線 厘米,。g,、顯示折疊的連接點仍然牢固的照片。比例尺,，1 厘米,。

  對于TLIBs，通過優(yōu)化制備參數(shù)得到了均勻涂層的纖維陰極和陽極,，隨后通過包裹形成連續(xù)的分隔層,，然后通過扭曲獲得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的TLIBs。TLIBs的線性增長的容量和能量表現(xiàn)出卓越的性能,，高循環(huán)穩(wěn)定性,，并且經(jīng)歷了大量的彎曲測試后仍就保持穩(wěn)定。具體來說,，100個TLIBs（每個長度為1米）在0.1C速率下的比容量在160至180mAh/g之間（圖6b）,。TLIBs的獨特扭曲結(jié)構(gòu)為電極之間提供了短而穩(wěn)定的鋰離子傳輸通道，

  （圖6c,d）,。經(jīng)過廣泛的彎曲測試后,，TLIBs的容量保持率進一步在經(jīng)過10萬次彎曲循環(huán)后仍保持在80％以上（圖6e）。他們的扭曲策略可以擴展到其他高單位體積內(nèi)的包含的能量的能源存儲系統(tǒng),，例如鋰空氣電池,、鋰金屬電池和鋰硫電池。

  ,，利用CNT纖維的高比表面積和電導(dǎo)率,，形成了均勻的表面層，確保了傳感器的有效性能（圖7a–d）,。MSTs的穩(wěn)定的扭曲結(jié)構(gòu)和內(nèi)在的柔性使得每個傳感器的性能不受干擾（圖7e,f）,。

  ，通過調(diào)節(jié)涂層工藝構(gòu)建了連續(xù)均勻的ZnO層,，使得TLIBs表現(xiàn)出一致的亮度，且在變形時仍保持穩(wěn)定,。

  最后,，將紡織系統(tǒng)整合到服裝中,，并優(yōu)化了系統(tǒng)架構(gòu)，更好地滿足人體的需求（圖9a）,，同時融入了美學(xué)元素：在服裝內(nèi)層縫入能量供應(yīng)模塊,，在袖口縫入傳感單元，用于身體液體聚集處,，并在前臂處縫入顯示模塊以獲得最佳可見性（圖9b,，c）。作為概念驗證,，我們

  （圖9d,，e）。當(dāng)由12根長度為1米的纖維電池供電時,，它能持續(xù)工作約3天,。在實際應(yīng)用中，建筑電子線縫制后能夠直接進行洗滌,。

  總之,，咱們提供了一個制造工藝，將纖維電極扭曲成電子線程,，這些線程可以編織成大規(guī)模的電子紡織品,。電子紡織品能夠適用于諸如能源收集、能量儲存,、顯示器等可穿戴設(shè)備所需的其他可定制功能,。扭曲工藝促進了紡織品的柔韌性、可伸縮性,、連通性和透氣性,，線程可以包含不同大小和性質(zhì)的纖維。通過將電子線集成到具有各種功能的紡織品中,，例如計算,、能量收集和執(zhí)行，集成紡織系統(tǒng)顯示出了廣泛的應(yīng)用前景,。

  聲明：僅代表作者本人觀點,，作者水平有限，如有不科學(xué)之處,，請在下面進行留言指正,！