显示织物来了！穿在身上的显示器，可机洗上百次

你有设想过“穿”在身上的显示器吗？融器件功能、纺织方法、织物形态于一体，在我们穿的衣服上浏览资讯、收发讯息、事件备忘……这是研究者近年来着力探寻的方向。

如何将显示功能有效集成到电子织物中，同时确保织物的柔软、透气导湿、适应复杂形变等特性？这是智能电子织物领域面临的一大难题。

近日，复旦大学高分子科学系教授彭慧胜领衔的研究团队，成功将显示器件的制备与织物编织过程实现融合，在高分子复合纤维交织点集成多功能微型发光器件，揭示了纤维电极之间电场分布的独特规律，实现了大面积柔性显示织物和智能集成系统。

北京时间3月11日，相关研究成果以《大面积显示织物及其功能集成系统》（“Large-area display textiles integrated with functional systems”）为题在线发表于《自然》（Nature）主刊，审稿人评价其“创造了重要而有价值的新知识”。彭慧胜、陈培宁为该论文通讯作者，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第一作者。

发光纤维直径不足半毫米，类似纱线

各色发光纤维 本文图片均为澎湃新闻记者 张慧 图

彭慧胜拿起缠绕于纺锤上的发光纤维介绍说，这些直径不足半毫米的纤维材料，颜色各异，乍一看与生活中的寻常纱线类似。而当给它们通上电，就显示出了独特一面——会发明亮的光。

织物显示求索之路并非坦途。近十多年来，彭慧胜带领的研究团队致力于智能高分子纤维与织物研发。突破传统，实现织物“变色-发光-显示”的求索之路。

如何在柔软且直径仅为几十至几百微米的纤维上，构建可程序化控制的发光点阵列，是困扰团队甚至这个领域的一大难题。

彭慧胜团队适时转换思路：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。

由发蓝光的纤维编织而成的复旦大学校徽，通电后亮起。

研究团队人员现场展示的一件寻常卫衣上，绣有一枚由发蓝光的纤维编织而成的复旦大学校徽，接通电源后，蓝色的校徽图案在室内清晰可辨，还可根据控制，变化出不同的模式。

是什么使织物拥有了显示特性？其内在结构如何？

“显示织物内呈现独特的搭接结构，由发光经线和导电纬线交错而成。”彭慧胜解释道。从横截面方向看，其中一根为涂覆有发光材料的导电纱线，另一根透明导电纤维通过编织与其经纬搭接。

“施加交流电压后，位于发光纤维上的高分子复合发光活性层在搭接点区域被电场激发，就形成一个个发光‘像素点’。” 彭慧胜介绍，就这样，在电场的激发下，电极和发光层凭借物理搭接即可实现有效发光，该方法可以将发光器件制备与织物编织过程相统一，利用工业化编织设备，实现了长6米、宽0.25米、含约50万个发光点的发光织物，发光点之间最小的间距为0.8毫米，能初步满足部分实际应用的分辨率需求。通过更换发光材料，还可实现多色发光单元，得到多彩的显示织物。

彭慧胜（左二）研究团队

显示织物弯折、水洗都不怕

比起传统的平板发光器件，发光纤维直径可在0.2毫米至0.5 毫米之间精确调控，奠定了其“超细超柔”的特性。以此为材料梭织而成的衣物，可像普通织物一样轻薄透气。

伴随着结构上的精细化要求，技术上难题也显现出来：如何在如微米级直径的纤维上连续负载均匀的发光材料涂层，构建得到发光强度高度一致的像素点阵？

彭慧胜团队提出了“限域涂覆”制备路线，采用柔韧的高分子材料作为发光浆料基体，将其均一可控地负载在纤维基底上，即“让浸渍有发光浆料的纤维通过一个定制的微孔，使不平整的浆料涂层变得平滑，同时有效控制纤维的直径”。在此基础上，通过多次涂覆，提升纤维圆周方向的发光层厚度均匀性，涂覆固化后得到了能抵御外界摩擦、反复弯折的发光功能层。

现实的应用要求也接踵而至。衣服难免磕碰，也需日常清洗。如何能使显示织物适应外界环境的改变，乃至抵御住反复摩擦、弯折、拉伸等外力，保证发光的稳定性？

团队在导电纤维纬线的力学性能方面下足了功夫，通过熔融挤出方法制备了一种高弹性的透明高分子导电纤维。在编织过程中，该纤维由于线张力的作用，与发光纤维接触的区域发生弹性形变，并被织物交织的互锁结构所固定。

实验结果表明，在两根纤维发生相对滑移、旋转、弯曲的情况下，交织发光点亮度变动范围仍控制在5%以内，显示织物在对折、拉伸、按压循环变形条件下亦能保持亮度稳定，可耐受上百次的洗衣机洗涤。

除显示织物之外，研究团队还基于编织方法实现了光伏织物、储能织物、触摸传感织物与显示织物的功能集成系统，使融合能量转换与存储、传感与显示等多功能于一身的织物系统成为可能。该系统在物联网和人机交互领域，如实时定位、智能通讯、医疗辅助等方面表现出良好应用前景。

极地科考、地质勘探等野外工作场景中，只需在衣物上轻点几下，即可实时显示位置信息，地图导航由“衣”指引；把显示器“穿”在身上，语言障碍人群以此作为高效便捷交流和表达的工具……这些原存于想象中的场景，或许在不远将来就能走进人们的生活。

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专访｜复旦彭慧胜教授：酷炫“智能显示布”背后还有哪些挑战

北京时间3月11日，顶级学术期刊《自然》（Nature）在线发表了题为《大面积显示织物及其功能集成系统》（“Large-area display textiles integrated with functional systems”）的一项新研究。复旦大学高分子科学系教授彭慧胜和青年研究员陈培宁为该论文的通讯作者。

彭慧胜系复旦大学高分子科学系、先进材料实验室、聚合物分子工程国家重点实验室的教授，主要在智能高分子纤维器件领域从事研究工作，已经发表论文280多篇，获授权发明专利70多项。

在十余年研究的积累下，彭慧胜率领的研究团队此次向外界展示了一块长6米宽0.25米的大面积智能电子织物，这种织物还具有可拉伸性、透气性和耐用性，被认为是一种实用的理想材料。而在1000次弯、拉、压循环测试后，绝大部分的电致发光单元表现良好。此外，这些电致发光单元的亮度在100次清洗干燥循环后依然保持稳定。

研究团队还通过显示器、键盘和电源的多功能集合，演示了智能织物的多个应用场景。比如可作为显示交互式地图的导航工具，或是作为通过智能手机蓝牙连接收发信息的通讯工具。针织还展示了其在医疗保健领域的潜力，他们从玩赛车游戏的志愿者和冥想的志愿者身上分别收集了脑电图信号，并在计算机上对信号进行处理，并通过蓝牙模块将对应志愿者心理状态的文字发送给微控制器进行显示。

经线、纬线编织的同时，研究团队巧妙地将多功能智能集成系统融合其中。而在外界看来如此酷炫的成果背后，彭慧胜认为智能织物仍面临着多方面挑战。他在接受澎湃新闻采访时表示，无论在基础研究领域还是应用领域，还是有很多的难点，“但‘啃骨头’这个事情，大家相对来讲都有点躲。”

此外，对智能织物这一跨学科较宽的研究领域，研究人员的“组团”也非易事。“它需要不同学科的人能够高度地相互信任来合作做这件事情，怎么样能够找到这么一个团队，团队里各个背景的人都有，而且能够有效地合作，这个也是很难的一件事情。”

值得一提的是，彭慧胜团队的智能织物已经“走出”了实验室，在汽车领域、可穿戴的电子领域、服装领域进入了试用阶段，“我觉得应该会在今年做成真正的产品。”彭慧胜表示。

以下为澎湃新闻对彭慧胜的采访实录：

澎湃新闻：您长期研究智能织物，它被称为是纺织领域的第四次工业革命，首先请您介绍下智能织物的概念？它需要具备哪些要素？

彭慧胜：智能织物明确的定义实际上还没有，我觉得可以这样来理解，最早在5000多年前，人类开始使用大自然的纤维材料，包括蚕丝，来做衣服，然后这么多年来，织物一直是发挥着穿着、美观等这些功能，后来人们又做了让织物可以抗菌等，延伸了一些功能，这个是进一步的发展。

那么到最近这十多年来，人们希望它不是简单的有功能，它还是智能的。什么叫智能？实际上大家还是有一些争议的，我理解的智能是它跟环境是形成一个反馈的，不是简单的比如说抗菌就可以了，应该可以根据菌的情况做出相应的反应，或者说无论是主动还是被动的，我可以进对它进行调控。

人们可能还会进一步期待，它可能不光是有一个这样的反馈，它有可能是一个系统，这个系统它有多个的反馈。比如说我们做的这个织物，它可以发电，它像太阳能电池一样接受太阳光，然后发电，你还可以通过系统去控制它，怎么把电储存起来，或者电怎么去使用，那么这就相当于把织物做成锂离子电池的功能。再比如说我们做的这个显示，就是把锂离子电池功能做好，然后可以拿出来做显示用。这个织物还可以监测人体的生理指标，比如说我出汗的时候，我就对我的汗液进行成分分析，然后来判断我现在的健康状况，甚至可以把这些信息向医生进行反馈。

总的来说，它实际上包括了人们期望用到的多种功能的集成，所以我觉得智能织物可能有两方面重要的含义，第一它跟环境有一个互动，无论是主观的还是客观的；第二就是它是多个功能的集成，而不是简单的一个功能。

澎湃新闻：在团队最新发表的这项研究当中，这块织物已经集成了多种功能，目前智能织物的研究和应用还存在哪些大的挑战？

彭慧胜：我觉得挑战有多个方面。从科学的角度来讲，现在的挑战在于，比如说你做成传统的平面器件或者材料，无论是体系、表征方法，还是说研究的范式标准，科学共同体已经有了很多的规范和和标准的做法，然后工业界也有相关的标准，所以大家可以很容易地进行一些对比。但是织物这一块，没有标准的设备，都是大家设计定制的，然后你使用的材料、表征方式和整个检测，往往A实验室和B实验室不一样，B实验室和C实验室也不一样，它有一定的差异，所以在对比性能的时候，你很难去有效的对比。

这样就导致一个问题，就是各自有自己的说法，你要去进行一个有效的优化的时候，你就会发现别人的东西不一定对你有用，正因如此我觉得整个研究的效率实际上还是很低。

基础上是这样，在应用上挑战就更大。我刚才提到了没有标准的设备、没有标准的工艺，然后连判断东西的好坏都没有严格的标准，所以没有行业产业标准的话，很多的东西就很难往前推，这是从应用的角度来说的第二个很大的问题。

基础和应用还是有很多的难点，但“啃骨头”这个事情，大家相对来讲都有点躲。就是说因为碰到这些难题，你要把一个东西从实验室做出来，然后你推广到真正的能够工程化、工业化的目标，它要面临非常多的难点，所以大家都不是那么主动地往后面走。

但是现在国家的导向越来越有利了，所以我觉得后面可能大家会更多的在这方面下功夫。实际上我们自己也在参与制定行业标准，也在努力地开发针对纤维器件连续化的标准化的制备方法，然后大家可以在一个标准的尺度下去做东西、去做对比，这样的话才能真正的解决问题。这一块现在大家越来越意识到它的重要性，我觉得这些问题后面应该会逐步解决。

澎湃新闻：智能织物要附加多种功能，各个实验室采用的材料、制备的工艺都存在很大差异，在目前的研究阶段来说，各个实验室也因此很难有一个统一的标准，可以这样理解吗？

彭慧胜：这是很重要的原因，当然还有很难的一点在哪里呢？智能织物它其实是多学科的，不光是化学、材料、物理的，它需要做电子信息工程的，甚至需要生物医学的、做纺织的，所以说它跨得学科太宽，它不是一个人能干完的，它需要不同学科的人能够高度地相互信任来合作做这件事情，怎么样能够找到这么一个团队，团队里各个背景的人都有，而且能够有效地合作，这个也是很难的一件事情。

澎湃新闻：在这篇最新的论文里，团队演示了多种应用场景，您个人认为目前最有可能往现实应用去推一步的是哪种应用？像您刚才说的，这样的推动是否可以作为“啃骨头”的示范样本？

彭慧胜：我们实际上已经已经做到了这种产品的模型了，我们不光是在实验室了，这个产品已经有一些公司试用了，我们现在目前主要是汽车领域、可穿戴的电子领域，然后也包括做服装类的智能织物。

我们已经有这三方面在进行，比如服装公司可以做警察、环卫工人穿的衣服，现在是光打上去我们才能看得见警察，晚上如果光不打上去就麻烦了，我们这个织物是主动发光，这样的话提高警察、环卫工人等群体的安全性。

像这些应用我们已经在试用了，所以这三个方向我觉得应该会在今年做成真正的产品，我觉得都没有问题。

澎湃新闻：这些产品试用大概多久？试用期间需要解决什么问题？

彭慧胜：我们试用大概做了两年多了。就像我刚才提到没有统一的设备、没有统一的标准，所以我们都是跟公司合作的时候，边做边建立这些东西，然后按照公司实际的要求，我们去努力地完善，相当于是按照需求在做技术。又因为是全新的，然后设备也是自己设计定制的，所以周期会长一些。现在我们基本上路都走通了，针对这篇论文里显示织物这块，我们有一条生产线，现在年产能在四五十吨。

编辑 张克 审读 刘春生 审核 党毅浩 曹亮