一個由電氣工程師和麵料科學家組成的團隊發明了一頂帽子，可以告訴佩戴者何時可以安全過馬路。研究人員的概念驗證豆豆帽是用鍺纖維編織而成，可以感應變化的交通訊號燈，並告知有視覺障礙的行人何時可以通行。這個原型展示了具有半導體核心的纖維如何編織成功能性服裝，以收集、處理和儲存資訊，並且有一天可能促成可以像衣服一樣穿戴的計算機的出現。
製造足夠柔韌以用於服裝的導電纖維並非易事。元素矽和鍺的晶體形式——因其光學和電氣特性而受到可穿戴電子行業的青睞——必須封裝在保護性包層中，然後紡成耐用的細絲。以前使用稱為熱拉伸工藝的嘗試只能生產通常太短（通常不超過幾十釐米）的細絲，並在核心中留下裂縫或其他致殘缺陷。但現在，研究人員首次開發出一種方法，可以製造出具有完整的光檢測和電子特性的長而柔韌的纖維——正如編織豆豆帽所證明的那樣。該團隊在最近發表於《自然》雜誌上的一項研究中描述了這些結果。
在典型的熱拉伸過程中，矽被放置在玻璃管中並加熱，直到兩種材料都足夠軟，可以拉伸成細纖維。但“由於矽和玻璃外殼完全不同，當我們加熱它們時，它們在拉伸能力方面會表現出完全不同的行為”，這項新研究的資深作者、新加坡南洋理工大學的功能性面料研究員Lei Wei說。這些材料膨脹或收縮方式的差異可能會給纖維帶來壓力並破壞其半導體核心。“壓力是殺手，”Wei 說。
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為了解決這個問題，Wei 和他的團隊引入了機械工程師，以幫助確定加熱和拉伸過程的每個步驟中起作用的力。“我們使用他們的理論來指導我們選擇材料，”Wei 說。一旦研究作者找到了正確的組合，他們就能夠製造出在製造過程中倖存下來而沒有缺陷或斷裂的纖維，正如他們在《自然》雜誌上報道的那樣。
透過將矽放入石英玻璃中，並將鍺放入鋁矽酸鹽玻璃中，研究人員生產出長度約為 100 米的連續纖維。接下來，他們蝕刻掉玻璃包層，並再次加熱和拉伸纖維，這次將半導體核心嵌入聚碳酸酯塑膠中。“這些纖維非常柔韌，”Wei 說，因此它們可以與棉、羊毛或絲綢等織物一起編織或紡織成“功能性紡織品”。研究人員生產了一種原型織物，寬度約為一米，長度為十米。這些纖維在水下工作，並在其他耐久性和壓縮測試中也倖存下來。
弗吉尼亞理工大學智慧纖維和可穿戴裝置研究小組負責人 Xiaoting Jia 表示，這項工作將為更大規模生產矽或鍺基半導體纖維鋪平道路。她說，聚合物層的加入增加了柔韌性和絕緣性，並在纖維編織或針織成織物時保護纖維。“這變成了一個非常穩健和可擴充套件的過程，”Jia 補充道，他沒有參與這項研究，但與人合著了一篇關於《自然》雜誌上這項研究的隨刊評論。
潛在的應用包括光學技術——例如光感應帽。豆豆帽的纖維將資料饋送到帽子內部的一個小型介面板。該板與一個應用程式通訊，該應用程式使佩戴者的智慧手機產生不同的振動，以指示交通訊號燈何時變成紅色或綠色。
該團隊建立的另一個原型是一件包含矽光電子纖維的毛衣。該服裝使用光保真 (Li-Fi) 通訊接收和傳送資料。在研究中，資訊（在本例中是建築物的照片）被轉換為二進位制程式碼，並透過毛衣以光脈衝的形式傳輸。研究人員還演示了一款可以監測心率的柔性錶帶。
澳大利亞新南威爾士大學醫療機器人實驗室主任、軟體機器人和功能材料專家 Thanh Nho Do 博士表示，這項新技術生產的半導體纖維足夠堅固，可以手工或機器編織——並且適用於大規模製造。“它可以為整合更多功能開闢新的可能性，”他說，例如檢測壓力或溫度的感測器，或軟體機器人的控制器。
Wei 說，新發現可以指導研究人員選擇材料和設計結構，以用於由其他元素製成的更復雜的半導體核心纖維。他的團隊目前保持其結構的簡單性，但未來的紡織品可以兼作更復雜的裝置。一個正在進行的專案涉及嘗試將纖維變成電晶體：這是能夠編織計算裝置的必要步驟。雖然第一個原型僅限於感測器，但 Wei 對未來可能會出現可穿戴計算機持樂觀態度。