来源:Frontiers of Optoelectronics 发布时间:2022/11/4 10:00:25
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FOE | 封面报道:可动态彩色显示的柔性热致变色织物

论文标题:Flexible thermochromic fabrics enabling dynamic colored display(可动态彩色显示的柔性热致变色织物)

期刊:Frontiers of Optoelectronics

作者:Pan Li, Zhihui Sun, Rui Wang, Yuchen Gong, Yingting Zhou, Yuwei Wang, Xiaojuan Liu, Xianjun Zhou, Ju Ouyang, Mingzhi Chen, Chong Hou, Min Chen, Guangming Tao

发表时间:26 Oct 2022

DOI:10.1007/s12200-022-00042-3

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第一作者:李攀、孙之惠、王睿

通讯作者:陶光明

通讯单位:华中科技大学

研究背景

纤维态器件由于其独特的一维形态优势如柔性、轻质及可穿戴性等吸引了越来越多的学者对其进行研究,在过去的十年中,人们致力于开发各种功能纤维器件,包括导电、能量收集和存储器件、传感器、致动器和照明器件等。在功能纤维领域的诸多研究分支中,变色纤维由于可实现信息展示的可拓展性及可编程性,为新型信息显示及人机交互底层器件的研究提供了一种新的方向。若人们穿着的衣物可以随着外部环境发生色彩与图案的变化,不但可以丰富衣服本身的美感,更可以建立起用户与环境之间自然交互的桥梁,实现对环境信息及时的显示与感知。

图1 用于人机交互界面的彩色织物二维码

文章简介

随着信息交互在人类日常生活中占据着越来越重要的角色,作为人与外部环境沟通交流的第一媒介:交互界面,正在朝着无感化、多感知、可显示、可对话的方向发展。柔性交互界面的发展使得人们对变色纤维/织物的研究产生了极大的兴趣。色彩作为人类生活中重要的信息展示形式之一,如果纤维器件本身的颜色能够响应外部信号而发生特定的变化,则既可以实现对环境信号的感知,又可以实现对环境信号的显示。

近期,华中科技大学的陶光明教授团队展示了一种基于湿法纺丝工艺大批量制备的颜色变化可逆的热致变色纤维,优异的机械特性及可编织性使其可用于制备彩色织物显示器件,并应用于柔性织物交互显示界面。相关工作以Flexible thermochromic fabrics enabling dynamic colored display为题于2022年9月29日发表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。

图文导读

创新点一:可大规模批量制备的柔性可编织热制变色纤维

对于现有的各种热制变色纤维来说,工业化大规模批量制备具有一定的挑战性,研究团队基于湿法纺丝工艺,实现了热致变色纤维的连续批量化生产,并且所生产出的热致变色纤维颜色变化可逆,可以直接通过经纬编织或织机编织的方式集成在其他的布料上。在机械性能方面,热致变色纤维具有较大的机械强度,研究人员通过对材料组分的精准调控,最终制备出最大应变量可达500%的热致变色纤维,这种拉伸程度可以完美满足日常衣物或布料的使用需求。

图2 热致变色纤维的制造和结构表征。a 用于大批量生产热致变色纤维的纺丝装置。b 热致变色纤维横截面图。c 热致变色纤维表面形态图。d-e 多色系热致变色纤维实物照片以及大批量制备热致变色纤维的实物照片

图3 热致变色纤维的性能。a 热致变色纤维中TPU含量从10 wt.%增加到25 wt.%时的应力/应变曲线。b 不同编织图案(“HUST”和一朵花)在温度变化时发生的颜色变化(比例尺:2 cm)

创新点二:用于人机交互界面的动态彩色显示

对于现有的柔性可穿戴显示设备来说,能否实现显示图案的快速可重复、可逆变化决定了交互界面实用性与信息传递效率,实现图案的连续动态显示直接关系到柔性可穿戴显示设备的实用价值。研究团队巧妙利用多种多色系热致变色纤维色彩变化的特点,结合纤维优越的可编织特性设计制备了彩色二维码织物,并针对不同区域的温度调控实现多个彩色二维码图案的动态切换,可用于社交联系、信息安全、身份识别、购物和电子支付等不同场景下,实现信息的交互与传递。

图4 基于热致变色织物彩色二维码的信息交互。a 织物二维码的各种可能的应用场景。b 织物二维码识别的基本流程。c 织物二维码的加热方案示意图。d 从三种彩色织物二维码图案中获得的不同信息

总结和展望

热致变色织物为柔性可穿戴人机交互界面提供了一种新的解决方案。研究人员提出了一种基于湿法纺丝工艺制造的热致变色纤维。所制备的热致变色纤维具有良好的机械性能和优异的颜色变化可重复性,并且可大规模制备,可以满足现有纺织行业的要求。研究团设计并制备了动态彩色显示的织物二维码,并成功实现了二维码的识别,这项研究为物联网及柔性可穿戴人机交互界面的发展带来了更多的可能性。

作者介绍

陶光明,华中科技大学武汉光电国家研究中心和材料科学与工程学院教授、光谷实验室“光谷产业教授”和运动与健康智能化技术创新中心主任、医疗装备科学与工程研究院生物医用材料与生命支持装备方向首席科学家。陶教授致力于研究纤维光电子学的交叉学科研究工作,先后在Science 等学术期刊发表论文84篇,拥有已授权国际/国内发明专利35项、申请国家发明专利45项。陶教授百余次在国内外学术会议、默克集团(Merck KGaA)创新讲坛、Wiley系列研讨会(EcoMat)、树兰俊杰科学Talk、华为STW会议做专题邀请报告/大会报告。

课题组简介

纤维光电子学实验室(Center for Fiber Optoelectronics, CFO)主要致力于医疗纤维机器人和面向运动与健康智能化的智能织物技术等跨学科研究工作。课题组目前正持续发展中,逐步形成一支包含教授、博士后、博士生、硕士生、本科生、技术工程师、专职科研秘书等在内的完整科研梯队。队伍年轻且专业配置合理(光电、材料、机械自动化、电子信息、物理等背景均有成员参与)。实验室面向学术前沿和国家需求,交叉融合多学科知识。氛围自由,实行平行管理方式,正在搭建具有国际一流水准的科研平台。非学术性的工作交由多名专职科研秘书和工程师负责,坚持“人是最重要的”原则。(研究详见: http://fibers.wnlo.hust.edu.cn/

摘要

Color-changeable fibers can provide diverse functions for intelligent wearable devices such as novel information displays and human–machine interfaces when woven into fabric. This work develops a low-cost, effective, and scalable strategy to produce thermochromic fibers by wet spinning. Through a combination of different thermochromic microcapsules, flexible fibers with abundant and reversible color changes are obtained. These color changes can be clearly observed by the naked eye. It is also found that the fibers exhibit excellent color-changing stability even after 8000 thermal cycles. Moreover, the thermochromic fibers can be fabricated on a large scale and easily woven or implanted into various fabrics with good mechanical performance. Driven by their good mechanical and physical characteristics, applications of thermochromic fibers in dynamic colored display are demonstrated. Dynamic quick response (QR) code display and recognition are successfully realized with thermochromic fabrics. This work well confirms the potential applications of thermochromic fibers in smart textiles, wearable devices, flexible displays, and human–machine interfaces.

期刊简介

Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德国施普林格(Springer)出版公司海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一,以网络版和印刷版两种形式出版。由北京大学龚旗煌院士、华中科技大学张新亮教授共同担任主编。

其宗旨是介绍国际光电子领域最新研究成果和前沿进展,并致力成为本领域内研究人员与国内外同行进行快速学术交流的重要信息平台。该刊的联合主办单位是高等教育出版社、华中科技大学和中国光学学会,承办单位是武汉光电国家研究中心。FOE期刊已被Emerging Sources Citation Index (ESCI), Ei Compendex, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSA, Chinese Science Citation Database (CSCD), OCLC, SCImago, Summon by ProQuest等收录。2019年入选中国科技期刊卓越行动计划梯队期刊项目。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中13种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

http://journal.hep.com.cn

 
 
 
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