一种用半导体器件嵌入纤维的技术可以产生数百米长的无缺陷股线。用这些线编织的服装提供了对未来可穿戴电子产品的诱人一瞥。

想象一下，一顶可水洗的帽子可以帮助盲人感知交通信号灯的变化，或者一件衣服可以在佩戴者穿过博物馆时充当导游。这些技术可以使用配备半导体器件的智能柔性光纤来实现，这些光纤的检测和处理信号，并且这种光纤的性能在过去几年中得到了迅速发展1–8.然而，现有的制造方法可以生产出断裂、有缺陷的半导体芯的螺纹。Writing in Nature， Wang et al.9报告了一种创新方法，将微小的半导体元件送入光纤拉拔机，从而产生连续的高性能柔性光纤，可以相互感知、通信和相互作用。

自石器时代以来，人类就一直在使用纤维10，但尝试将其功能扩展到简单的隔热之外要现代得多。将半导体器件整合到纤维中的挑战之一涉及可穿戴性：纤维必须具有柔韧性和可扭曲性，以便可以编织;可水洗，可重复使用;并且透气，因此可以舒适地穿着。许多研究人员通过创建由非晶态半导体材料制成的智能纤维器件来优先考虑这些功能。然而，采用传统的硅基半导体有望带来卓越的电子特性和性能2.

另一种方法是生成带有硅芯的玻璃包覆光纤，但这种技术称为熔融芯法，通常会导致光纤容易断裂并包含缺陷。Wang等人首先对制造过程进行了详细的力学分析，以确定导致断裂的应力来源，从而克服了这个问题。熔芯法首先将硅或锗制成的半导体线插入玻璃管内（图 1）。两种材料都加热到至少 1,000 °C，直到它们足够柔软，可以被拉成细线，然后冷却。

图 1 |一种制造数字化纤维的方法。Wang et al.9设计了一种将纤维嵌入半导体材料以产生长而柔韧的线的方法。将半导体线插入玻璃管内，将两种材料加热，直到它们足够柔软，可以拉成细线，然后冷却。氢氟酸用于去除玻璃。然后将金属丝与金属丝一起送入聚合物管中。该结构再次被加热，并被拉成一条可以长数百米的柔性线，可以编织成检测和处理信号的织物。

Wang et al.分两个阶段确定应力形成：岩心凝固的点;以及随后的阶段，其中纤维被冷却。具体来说，他们发现玻璃的粘性行为和导线熔点的不匹配会引起芯中的应力，材料的热膨胀率的差异也是如此。作者表明，这两个问题都可以通过选择正确的材料组合来缓解：硅芯与由超韧二氧化硅玻璃制成的包层配合得很好，而锗芯在包覆铝硅酸盐玻璃时表现更好。

由此产生的纤维是无断裂的，质量上乘，但玻璃包层影响了它们的适用性。出于这个原因，冷却后的纤维浸入氢氟酸中以去除玻璃外层，留下半导体芯。然后将该芯与导电线一起送入聚合物管中。整个结构再次被加热，并被拉成数百米长的柔性纤维。由此产生的光纤采用p-n结的形式，它是现代电子产品的基本组成部分，可以将光信号转换为电流。这个过程让人想起制造纺糖——如果糖嵌入了微小的、可控的电子元件。

Wang et al.表明他们的纤维可用于制造多种设备。在一个例子中，作者将纤维编织成一顶帽子，可以用来感知来自交通信号灯的信号。帽子接收到的信号被发送到手机，然后当灯变成红色或绿色时，手机就会发出嗡嗡声。在另一种情况下，光纤被编织成一件毛衣，用作光保真（Li-Fi）设备，这是一种以光频率传输数据的技术，而不是5G等无线网络使用的无线电频率。毛衣检测到编码为光脉冲的图像信号，然后第二个设备解码这些信号以重建图像。

作者还将他们的智能纤维编织成一个灵活的腕带，其性能优于类似的心率监测设备。目前可用的设备通常使用刚性传感器，该传感器不会弯曲到手腕的形状，因此可能会产生不准确的测量结果。Wang及其同事的光纤性能与这些商用硅器件相当，但它们也可以承受高压缩，例如在3000米的水下深度所经历的压缩。作者表明，他们的腕带可用于检测潜艇周围的可见光。

该技术的另一个关键优势是其工业就绪性。制造光纤的仪器包括一个光纤拉丝装置，用于在电信行业生产商用光纤。一旦纤维产生，就可以使用已经在纺织工业中广泛使用的工具将它们编织或编织成织物。

Wang及其同事的工作朝着将微型计算机嵌入日常服装的方向迈出了一大步。一个令人兴奋的未来方向是为纤维配备更复杂的器件，如晶体管，并增加这些功能组件的密度。当前方法的一个局限性是，它需要一个后处理步骤才能将非常高质量的（单晶）半导体整合到光纤中。找到一种在制造过程中嵌入这些材料的方法将扩大纤维的电子和光电应用范围。

最后，由于嵌入Wang及其同事光纤中的电线很容易连接到现有的计算机硬件，因此这项技术可能被证明对开发集成人机系统的努力有用。因此，这件作品让我们可以想象出一代智能纤维和织物，使人们能够与周围环境无缝互动，并使他们的日常体验完全身临其境。

自然 626， 38-39 （2024）

doi： https://doi.org/10.1038/d41586-024-00076-x