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  印刷電路板(PCB)是現(xiàn)有集成電子電路(IC)技術(shù)的基礎(chǔ)。因此，現(xiàn)有大多數(shù)柔性電子器件的制造都是采取在柔性基地上印制多層半導(dǎo)體功能材料，或者將小型元件安置在印有導(dǎo)電圖案的柔性基底上。因此，柔性電子硬件最終都是以貼片的方式附著在人體上。近年來，纖維或織物結(jié)構(gòu)的能量采儲和傳感元件因為可以實現(xiàn)像織物一樣穿戴，非常符合人體習(xí)慣，從而受到廣泛關(guān)注。但目前，這些柔性器件在組成集成電路時，大多還是沿用了PCB模塊技術(shù)。

  重慶大學(xué)范興教授所在團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究所張煒教授和哈佛大學(xué)Xingcai Zhang等團(tuán)隊，突破PCB工藝的限制，通過全編織的方法實現(xiàn)了一種用于生物醫(yī)學(xué)和治療診斷應(yīng)用的非印刷型集成電路紡織品 (NIT)。其中，所有器件單元都是纖維結(jié)構(gòu)，或者纖維電極交錯的節(jié)點結(jié)構(gòu)。它們完全通過編織的方式，組成了同時具有多信號傳感、信號調(diào)制放大、邏輯判斷、無線發(fā)送等系列電子功能集成的柔性功能織物。

圖 1 非印刷集成電路紡織品的設(shè)計

  該織物中完全沒有PCB電路板，卻包括傳感、邏輯判斷、無線通信和電源等模塊。首先，它通過三個纖維式傳感器不斷將人體運(yùn)動、汗水和環(huán)境光信息轉(zhuǎn)換為電信號，然后，這些信號由交織結(jié)構(gòu)的晶體管元件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算模塊進(jìn)行二進(jìn)制編碼，用于區(qū)分不同的緊急情況；接著，邏輯碼或者傳感數(shù)據(jù)可以通過纖維結(jié)構(gòu)的紅外發(fā)射單元甚至更復(fù)雜的頻率調(diào)制或數(shù)字通信電路等，實現(xiàn)無線發(fā)送。

  其中，傳感模塊主要由纖維型汗液傳感器、應(yīng)變和光傳感器編織而成，用于同時監(jiān)測體液酸堿、人體運(yùn)動及環(huán)境光等多種身體健康和環(huán)境信息。通過將汗液信息與身體運(yùn)動和環(huán)境條件的分析結(jié)合起來，為有效的醫(yī)療診斷提供有用的信息。

圖2 傳感器模塊的性能

  邏輯判斷模塊由纖維編織結(jié)構(gòu)的晶體管構(gòu)成。受益于電化學(xué)門控原理，交織結(jié)構(gòu)的晶體管表現(xiàn)出優(yōu)異的彎曲或拉伸魯棒性。為了實現(xiàn)智能邏輯判斷的功能，作者通過編織的方式，實現(xiàn)了與門、或門和與或門等邏輯運(yùn)算電路，進(jìn)而通過邏輯門的組合，成功識別了體液酸堿、人體運(yùn)動及環(huán)境光等多信號組合中的異常特征，并且發(fā)送出具有正確邏輯判斷的無線信號。

圖3 邏輯運(yùn)算模塊的性能

  此外，該集成電子電路紡織品通過與織物結(jié)構(gòu)的光伏發(fā)電器件和纖維型可充電Zn/MnO₂電池共同編織，解決了穿戴應(yīng)用中的頻繁充電難題。研究詳細(xì)考察了電路在各種工作模式下的功率消耗情況。在此基礎(chǔ)上，對充放電模塊的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)及管理進(jìn)行了合理設(shè)計，從而形成可持續(xù)的光充電電源，實現(xiàn)了基于光充電的不間斷供電解決方案。

  研究針對日常保健、糖尿病監(jiān)測、或低血糖、代謝性堿中毒等緊急情況，模擬驗證了該集成電子電路紡織品的應(yīng)急報警功能。結(jié)果表明，其可以像一名全天候的私人人工智能“護(hù)士”那樣，準(zhǔn)確識別各種緊急情況，并根據(jù)白天或黑夜等不同場景，發(fā)出不同的報警邏輯碼。該織物在未來AI健康等領(lǐng)域有著廣泛用途，甚至可用于COVID-19患者護(hù)理。

圖4 該織物用于無線監(jiān)測及緊急情況的識別與區(qū)分報警

  傳統(tǒng)紡織工業(yè)上，圖案的形成并不只有打印這一種辦法。紡織工業(yè)上，可以通過提花、印花、繡花等不同方式來形成各種各樣的圖案。相對于在織物上打印電路的方式，該研究采取的編織方式，更接近于提花及繡花，可以將集成電路中的器件功能單元構(gòu)建縮小到單個編織節(jié)點上，有望大幅提高織物結(jié)構(gòu)集成電路的元件密度。未來，這種織物結(jié)構(gòu)的電路構(gòu)建技術(shù)將與印制電路技術(shù)互為補(bǔ)充，從而真正打破電子行業(yè)和紡織行業(yè)的壁壘。非印制型的集成電子織物將成為未來重要的人體AI硬件，甚至有可能發(fā)展出全織物型的計算機(jī)或智能戰(zhàn)衣。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Nature Communications（Nature Communications.2021,12,4876.）上。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25075-8