印刷電路板(PCB)是現(xiàn)有集成電子電路(IC)技術的基礎。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體功能材料，或者將小型元件安置在印有導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，纖維或織物結構的能量采儲和傳感元件因為可以實現(xiàn)像織物一樣穿戴，非常符合人體習慣，從而受到廣泛關注。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。
重慶大學范興教授所在團隊聯(lián)合中國科學院重慶綠色智能技術研究所張煒教授和哈佛大學Xingcai Zhang等團隊，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)學和治療診斷應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構，或者纖維電極交錯的節(jié)點結構。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動、汗水和環(huán)境光信息轉換為電信號，然后，這些信號由交織結構的晶體管元件構成的邏輯運算模塊進行二進制編碼，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)可以通過纖維結構的紅外發(fā)射單元甚至更復雜的頻率調制或數(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、應變和光傳感器編織而成，用于同時監(jiān)測體液酸堿、人體運動及環(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動和環(huán)境條件的分析結合起來，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構的晶體管構成。受益于電化學門控原理，交織結構的晶體管表現(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算電路，進而通過邏輯門的組合，成功識別了體液酸堿、人體運動及環(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 邏輯運算模塊的性能
此外，該集成電子電路紡織品通過與織物結構的光伏發(fā)電器件和纖維型可充電Zn/MnO2電池共同編織，解決了穿戴應用中的頻繁充電難題。研究詳細考察了電路在各種工作模式下的功率消耗情況。在此基礎上，對充放電模塊的串并聯(lián)結構及管理進行了合理設計，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急報警功能。結果表明，其可以像一名全天候的私人人工智能“護士”那樣，準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健康等領域有著廣泛用途，甚至可用于COVID-19患者護理。
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建縮小到單個編織節(jié)點上，有望大幅提高織物結構集成電路的元件密度。未來，這種織物結構的電路構建技術將與印制電路技術互為補充，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或智能戰(zhàn)衣。
以上相關成果發(fā)表在Nature Communications（Nature Communications.2021,12,4876.）上。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25075-8
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