新加坡国立大学开发出具有发光、自我修复和磁性的可扩展光纤 可以增强人机交互

盖世汽车讯 据外媒报道，新加坡国立大学（National University of Singapore，NUS）设计与工程学院材料科学与工程系的跨学科科学家和健康创新与技术研究所（iHealthtech）合作，开发出具有自我修复、发光和磁性的柔性纤维。这种可扩展的水凝胶包覆的离子电子镍芯电致发光（SHINE）纤维可弯曲，能发出高可见光，并能在切割后自动修复，恢复近100%的原始亮度。此外，这种光纤还可以无线供电，并利用磁性进行物理操纵。该研究于2024年12月3日发表在期刊《自然通讯》（Nature Communications）上。

图片来源：National University of Singapore

通过将多种有用功能集成到单个设备中，该光纤在发光软机器人纤维和交互式显示器方面具有潜在的应用前景。它还可以编织成智能纺织品。

“如今，大多数数字信息主要是通过发光设备传输的。我们非常感兴趣开发能够发光的可持续材料，并探索纤维等新的形状因素，以扩展应用场景，如智能纺织品。设计可持续发光设备的一种方法是使其能够自我修复，就像皮肤等生物组织一样，”本研究的首席研究员Benjamin Tee副教授表示。

单一设备中的多功能创新

由于发光纤维具有在软体机器人、可穿戴电子设备和智能纺织品等多个领域对现有技术进行补充的潜力，因此已成为一个备受关注的领域。例如，发光纤维可提供动态照明、交互式显示器和光学信号等功能，同时还具有灵活性和适应性，可以通过使人机交互更加灵敏和直观来改善人机交互。

然而，这种光纤的使用通常受到物理脆弱性的限制，并且难以在不增加复杂性或增加能源需求的情况下将多个功能集成到一个设备中。

新加坡国立大学研究团队的SHINE光纤通过将发光、自我修复和磁驱动结合在一个可扩展的设备中来解决这些挑战。市场上现有的发光光纤在损坏后无法自我修复，也无法进行物理操作，与之相比，SHINE光纤提供了一种更高效、更耐用、和用途更广泛的替代方案。

该光纤基于同轴设计，结合了用于磁响应的镍芯、用于发光的硫化锌基电致发光层和用于提高透明度的水凝胶电极。使用可扩展的离子诱导凝胶化工艺，该团队制造出长达5.5米的纤维，即使在露天存放近一年后也能保持其功能。

Tee副教授表示：“为了确保在明亮的室内照明条件下清晰可见，通常建议亮度至少为300至500 cd/m2。我们的SHINE光纤具有1068 cd/m2的创纪录亮度，大大超过了阈值，即使在光线充足的室内环境中也能清晰可见。”

纤维的水凝胶层在环境条件下通过化学键重组实现自我修复，而镍芯和电致发光层在50摄氏度下通过热诱导偶极相互作用恢复结构和功能完整性。

Tee副教授补充道：“更重要的是，修复过程可以恢复纤维原始亮度的98%以上，确保其在修复后能够承受机械应力。这种能力支持对受损和随后自我修复的纤维进行再利用，使本发明从长远来看更具可持续性。”

SHINE光纤的镍芯还具有磁性驱动功能。利用这一特性，研究人员可以用外部磁铁操纵光纤。该论文的第一作者Fu Xuemei博士表示：“这是一个有趣的特性，因为它能够实现发光软机器人光纤等应用，这些纤维能够在狭小的空间内操控，执行复杂的动作，并实时发出光学信号。”

揭示新的人机交互

SHINE纤维可以针织或编织成智能纺织品，可在切割后发光并易于自我修复，为可穿戴技术增添了耐用性和功能性。凭借其固有的磁性驱动，这种光纤本身也可以作为软体机器人，即使在完全切断后也能发光、自我修复、在密闭空间中导航和发出光学信号。此外，该光纤还可用于交互式显示器，其磁性可实现动态图案变化，从而促进黑暗中的光学交互和信号传递。

展望未来，该研究团队计划提高光纤磁性驱动的精度，以支持更灵巧的机器人应用。他们还在探索将传感能力（如检测温度和湿度的能力）编织到完全由SHINE纤维制成的发光纺织品中。