基于刺激响应交流电致发光纺织品的视觉人机界面：突破与展望

《Device》：Stimulus-responsive alternating current electroluminescent textiles for visual human-machine interface

为解决交流电致发光（ACEL）纺织品因传感器和微处理器结构复杂限制应用的问题，研究人员开展了 ACEL 纺织品在材料、结构和功能方面的研究。结果表明，新型结构和材料提升了其性能，在多领域有应用潜力，为可穿戴设备发展提供新思路。

　　** 在科技飞速发展的当下，可穿戴设备已逐渐融入人们的生活。其中，能实现视觉交互的纺织品备受瞩目，它就像拥有 “智慧大脑” 和 “发光魔法”，能检测物理或化学变化并发光，在运动监测、医疗健康、安全防护等诸多领域大显身手。在众多实现视觉交互的技术中，交流电致发光（ACEL）纺织品凭借稳定性和灵活性等优势脱颖而出，成为制造可穿戴视觉交互设备的热门选择。然而，其发展并非一帆风顺。传统的 ACEL 纺织品通常需要集成多个电子元件来实现视觉交互功能，这使得产品厚度增加、柔韧性降低，交互也变得迟缓，就像给灵活的舞者穿上了厚重的铠甲，严重限制了其在可穿戴领域的广泛应用和进一步发展。因此，探索如何简化 ACEL 纺织电子结构、提升其综合性能，成为科研人员亟待攻克的难题。

为了解决这些问题，青岛大学健康与防护智能纺织品研究中心的研究人员开展了关于刺激响应性 ACEL 纺织品用于视觉人机界面的研究。研究成果发表在《Device》上，为该领域的发展带来了新的曙光。

在研究中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先是结构设计技术，通过创新的设计构建出如共轴结构、共面电极结构等多种新型结构，优化 ACEL 纺织品的性能；其次是材料制备技术，利用水凝胶、离子凝胶、纳米金属材料和碳材料等制备出具有特殊性能的功能层和电极；另外，还运用了性能测试技术，对 ACEL 纺织品的发光性能、机械性能、传感性能等进行全面测试评估 。

研究结果主要涵盖以下几个方面：

• 工作原理与结构：目前多数 ACEL 纺织品以 ZnS:Cu 粒子为发光材料，其在激发冷却过程中形成Cux?S/ZnS异质结，施加电压后电子与空穴结合发光。2D 织物基 ACEL 装置有典型三明治结构，1D 纤维基 ACEL 装置则通过在纤维基底上沉积功能层获得，如共轴结构和并行电极结构等。共轴结构促进了 ACEL 纤维的多样化发展，并行电极结构能简化制备过程、控制成本，还增强了织物的透气性和柔韧性，为可穿戴应用奠定基础。此外，研究人员还探索了不同结构实现传感性能的方式，如在三明治结构中添加功能层，利用 3D 打印或激光蚀刻对介电层进行微图案化实现压力响应显示；在 1D ACEL 装置中应用螺旋结构实现压力和张力传感。共面电极结构的出现则简化了配置，消除了对透明电极的依赖，拓宽了传感功能，基于此还开发出多种结构，促进了设备的集成、功能开发和灵活应用。
• 灵活性与自修复性能：聚合物作为介电和基质材料，在提高 ACEL 纺织品拉伸性能方面取得进展，还能通过添加陶瓷材料等聚合物改性方法降低开启电压、提高亮度。水凝胶和离子凝胶可制备可拉伸电极，使 ACEL 纤维拉伸性能大幅提升。编织和针织面料结构各有特点，基于透明针织面料可制备轻质、可穿戴的发光电子纺织品。同时，自修复电子材料有助于延长 ACEL 设备使用寿命，如在 PU/ZnS:Cu 复合材料中添加 Triton X-100 可使其具有自修复性能，碳纳米管片的范德华力和褶皱结构可协助恢复可拉伸电极的导电性和拉伸性，将自修复导电凝胶与聚合物结合也是提高设备寿命和可靠性的有效策略。
• 多功能传感能力：设计 ACEL 纺织品实现特定或多种传感功能至关重要。通过在三明治结构中嵌入功能材料，可制备出对特定物质有响应的传感器，如基于 PEDOT:PSS 传感层电阻变化的柔性 ACEL NH3?传感器。微结构处理可实现应变传感，共面电极结构的传感电极通过材料和微结构设计，能使设备感知多种外部环境刺激。利用共面电极结构中的双向发射层排列，可制备具有多传感功能的视觉交互显示器，但目前这类设备存在结构复杂、厚度增加等缺点，开发能应对复杂应用场景的多传感设备仍面临挑战。
• 应用与研究机遇：ACEL 基视觉交互纺织品在智能服装、安全加密、医疗、家居办公等领域有广泛应用前景，可实现导航、通信、健康监测等功能。尽管 ACEL 纺织电子在发光、机械和显示性能方面不断迭代，但将其集成到可穿戴系统仍存在障碍，如多种功能设备和复杂电路连接会影响纺织品的柔韧性、舒适性和可靠性。无线技术和无线充电技术为解决这些问题提供了思路，研究人员还探索将人体纳入无线交互系统，通过人体耦合交互纤维实现视觉交互传感。

研究结论和讨论部分指出，ACEL 纺织品在架构简化、材料选择和功能构建方面取得了一定进展，基于纤维的设备和与纺织系统的集成策略成为研究热点。然而，在实际可穿戴应用中仍面临诸多挑战，如多种纤维组件和接口的广泛集成可能影响可靠性，ACEL 纺织品需要高驱动电压和频率，这对设备的柔韧性和可洗性有影响，能量收集或存储纺织品技术尚不成熟，以及抗环境干扰和抗多传感信号串扰等问题。不过，ACEL 纺织品未来发展也有诸多有利因素，纤维、纱线和织物的多样化结构和材料为纺织电子功能实现提供了潜力，高性能材料的发展使制备具有更优异性能的 ACEL 基视觉交互纺织品成为可能，电子和无线技术有助于优化信号采集和处理，成熟的纺织工业基础设施也为大规模、低成本生产纺织电子产品提供了便利。总之，该研究为 ACEL 纺织品的发展指明了方向，尽管面临挑战，但前景依然广阔，有望为可穿戴设备和人机交互领域带来更多创新和突破。**