說到纖維，人們馬上會聯(lián)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)外圍繞智能纖維研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化的進程明顯加快，尤其是國內(nèi)一些高校、研發(fā)機構(gòu)及相關(guān)行業(yè)和企業(yè)，已紛紛關(guān)注并投身到這一破土而出的新領(lǐng)域。
圖片說明: 這張創(chuàng)意圖旨在表達纖維、電子、芯片等在未來將融為一體。
所有故事源于纖維的改變
作為構(gòu)成物質(zhì)世界和生命體基本組分 (單元) 的纖維和我們?nèi)祟惖纳钕⑾⑾嚓P(guān)，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(lián)想到一維形態(tài)、柔韌性很好的纖細物態(tài)。然而時至今日，纖維還是那個纖維，但其內(nèi)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(shù)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(fā)、儲存功能。目前，國內(nèi)外實驗室都已獲得能接收傳輸電信號或是能發(fā)光、發(fā)熱、儲能的纖維。
一個以新型纖維材料為基礎(chǔ)，具備多材料、多結(jié)構(gòu)、多功能特點，能夠感知、計算、儲能、通信、執(zhí)行的新型智能材料家族，已經(jīng)開始出現(xiàn)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(zhuǎn)化為巨大的商業(yè)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(guān)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(lǐng)域的技術(shù)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(jié)構(gòu)、多材料特性，能夠?qū)鹘y(tǒng)產(chǎn)業(yè)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(nèi)的一批該領(lǐng)域權(quán)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(xiàn)在人們對這場纖維革命本質(zhì)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(zhuǎn)變?yōu)楦呒夹g(shù)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(jié)構(gòu)的智能纖維。在這樣的纖維變革背景下，未來紡織業(yè)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(jié)能環(huán)保、智能通信服務等一系列功能產(chǎn)品和服務行業(yè)。這也將是繼20世紀硅基芯片發(fā)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(chǎn)業(yè)革命。
從2014年起，德國就確立了名為“未來紡織”的國家級戰(zhàn)略項目(futureTEX)。在德國人看來，今天的紡織業(yè)已不再是一個傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，而是基于新材料、節(jié)能環(huán)保、智能產(chǎn)品等創(chuàng)造出的全新行業(yè)、產(chǎn)品和服務。德國人對紡織業(yè)的定位是：“要讓新型紡織、纖維作為工業(yè)4.0的急先鋒，成為德國最有創(chuàng)新活力的行業(yè)之一?！蓖瑯釉跉W盟重塑紡織服裝產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)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(guān)纖維改性的實驗室工作，2007年起就在《自然》雜志等刊出。歷經(jīng)十年發(fā)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(fā)展出現(xiàn)拐點式增長勢頭。據(jù)美國領(lǐng)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(shù)量每隔12個月會增長一倍，這種“智能纖維的摩爾定律”將創(chuàng)造出一個前所未有的全新行業(yè)。
大纖維的應用領(lǐng)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(guān)鍵在于電子芯片，它結(jié)合了電子芯片和信息交流技術(shù)的優(yōu)勢。但其實形成網(wǎng)絡讓人們?nèi)ソ涣鞯年P(guān)鍵物件是光導纖維。所以，蘋果手機和纖維本質(zhì)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(chǎn)能當作工具的纖維。可以把科學家的工作想象成他們試圖在纖維內(nèi)部建立一個完整的綜合插座，關(guān)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(gòu)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(gòu)建過程也是決定最后功能的重要因素。因此，材料和構(gòu)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(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電子。大約一年前，這些工作就發(fā)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(shù)，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(fā)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(zhì)，這種物質(zhì)見到光，會發(fā)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(huán)境并作出相關(guān)反應的纖維，可以自己發(fā)電、發(fā)光、發(fā)熱、變色、變形。王宏志教授課題組經(jīng)過多次反復實驗，已經(jīng)實現(xiàn)纖維在通電環(huán)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(nèi)實現(xiàn)紅、黃、藍三色變化，并能保持顏色達半小時。即使在扭曲、打結(jié)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(fā)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(shù)連接起來，以控制變色和變圖案。
能發(fā)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(fā)的智能纖維導向?qū)嶋H應用的幾項實驗，包括能發(fā)電、儲電的衣服和可變色發(fā)光的衣服。未來我們穿著的衣服如果能發(fā)電的話，可以解決很多領(lǐng)域的用電需求，從而改變我們的生活。
要做成這種發(fā)電的衣服，首先要得到能發(fā)電的纖維。研究人員發(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)實版“蜘蛛俠”。
這種獨特纖維也可在醫(yī)學上開展重要應用，比如香港理工大學陶肖明團隊研發(fā)出一種新生兒黃疸光療設備，稱為“O－毯”，它包含一層發(fā)光織物，并夾在由面層、反光背面織物構(gòu)成的覆蓋織物之間。這種布料由側(cè)發(fā)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(fā)光纖維做成毯子，所發(fā)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(nèi)外不同實驗室先后成功得到可顯示的結(jié)果和數(shù)據(jù)，有些已從實驗走向樣品，少部分已在進行產(chǎn)業(yè)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(guān)注，一部分具有前瞻性眼光的創(chuàng)新型企業(yè)，已開始進行產(chǎn)業(yè)化前期布局。
當然，這一領(lǐng)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(zhuǎn)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(chǎn)業(yè)革命絕不是天方夜譚，一個新的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域正在萌動。
