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    你所不知道的大纤维世界
    兼具材料技术革命与制造技术革命双重意义

    2019-08-22 09:11:00

      本报实习记者 赵萍

      “在大纤维的世界里,我们的电视机可以卷起来带走!”

      这是河北清华发展研究院研究员魏东在近日召开的“大纤维和编材制造”首场研讨会中描述的画面。制造这种电视机的纤维材料具备接收及转换信号、自发电、显示等多项功能,且这些都是纤维的内生功能,即自身便具备这些功能。再通过先进的制造技术,基于多功能纤维开发新型智能器件和系统,并实现形状的随意改变。

      这不是科幻小说,现阶段,我们的科学家正在致力于这类研究,试图赋予纤维感知和信息处理功能。引用中国工程院原院长周济的HCPS(人—信息—物理系统)理论,在大纤维的世界里,拥有“生命”和智能的纤维将作为一种载体,把物理世界、人体世界和虚拟世界连接起来。

      香港理工大学陶肖明团队正从事基于纤维结构的各种智能系统研发工作,如可穿戴的能量采集与能源存储设备,即通过纳米发电器将环境、人体运动产生的能量转换为电能,储存并应用于可穿戴微电子系统。这意味着人体走路、蹲起等所有肢体动作产生的动能均可以转换成其他设备所需的电能,将对人体产生的动能实现最大化利用。举个最简单的例子,以后出门无需再带充电宝,要给手机充电不只可以利用太阳能,走走路也能实现。

      东华大学纤维材料改性国家重点实验室副主任张耀鹏在会上表示,该实验室正在不断调整、完善大纤维的传感功能。此前一则“15岁亚裔少年为痴呆爷爷发明防走丢袜子”的新闻报道感动了无数人,这种袜子主要依靠一小片圆形传感器来工作,原理是当他的爷爷站起来时,传感器受到重力后会给手机发送提示信号。那么,这种创意在大纤维时代将如何呈现?通过研发新型纤维,无需特别增加传感器,完全可以通过其自身性能实现对人体行为的监测,同时可以跟踪身体的生理健康状况,预防外生和内生的潜在危险??梢运?,这种产品对医疗健康有着重要的意义。

      引发材料技术革命

      大纤维是一个很新的概念,最初是由大纤维产业工作组的专家于2016年提出来的,是基于材料、信息、机电、生物、能源等学科领域的技术突破与交叉融合,以“智能,超能,绿色”为特征,具有多功能、多结构、多组分特性,对众多产业集群起到高渗透性、颠覆性、革命性提升效果的新一代纤维。经过多次研讨、反复论证,专家将大纤维的物理层次分为7层,从下到上为原子—分子(链)—纤维—织物—器件—系统—超系统(系统之系统)。他们认为,大纤维虽发轫于纺织,但覆盖范围已大大突破了纺织行业,向下可延伸至基因编辑,向上可延伸至智能可穿戴设备等领域。并且,大纤维兼具材料技术革命与制造技术革命的双重意义。

      何为材料技术革命?大纤维突破传统纤维局限,能够感知、计算、储能、通信、执行。上海纺织科学研究院原副院长沈安京认为,大纤维不是具象的一根纤维,也不似普通纤维那样有着偏粗旷的制造方法。大纤维强调自身功能的精准可控、数字化且可编程,不仅可对纤维材料结构进行微观的调整,如进行某种元素含量、原子或分子的排列组合等,使其具备特定的功能性并带有信息编码,而且可以进一步将此类纤维加工成各类织物、柔性元件和智能系统。

      大纤维产业工作组组长王健在《大纤维与编材制造:一场基于纤维的新工业革命》(详见《中国冶金报》8月7日03版)一文中指出,大纤维包括碳纳米管、石墨烯等为基的高性能或超高性能纤维、多功能智能纤维、高性能生物纤维等,具有跨领域、跨学科的交叉融合特性,完全突破了传统纤维的局限。如人造蜘蛛丝纤维,相较于碳纤维具有更好的延展性、柔韧度,也具备更高的强度,不仅可以应用于纺织、医疗行业,在航空领域也有重要作用。欧洲空中客车公司称,用铅笔粗的人造蜘蛛丝纤维织成的网可以承受住一架重达200吨的A350宽体客机,再加上蜘蛛丝的抗菌等生物特性,更有利于推动飞机在构造方面的创新。

      会上,张耀鹏对人造蜘蛛丝纤维进行了简单介绍。现阶段用仿生方法做出的人造蚕丝比天然蚕丝性能更好,国内正尝试将蜘蛛的基因放入试验蚕中,再通过喂食法,使试验蚕吐出的丝具备蜘蛛丝的某些特殊性能。他还特别指出,目前,天然蜘蛛丝蛋白无法大批量获得,转基因蜘蛛丝蛋白价格昂贵,而人造蜘蛛丝纤维在国内仍处于研发阶段。并且,蜘蛛难以规?;茄侵圃既嗽熘┲胨糠⒄沟闹匾???上驳氖?,我国已有一家实现了蜘蛛规?;茄钠笠?,批量生产人造蜘蛛丝纤维的客观条件正在不断形成。

      引发制造技术革命

      大纤维同时还具有制造技术革命的意义。大纤维产业工作组的专家将大纤维制造技术创新地称为编材制造。组长王健指出,与现有的增材制造、等材制造、减材制造内涵不同,编材制造的“编”字既反映了传统意义上纤维和纱线层面上的纺制和编织,又反映了在分子甚至原子层面的编辑和剪裁;既反映了在织物和器件层面上的集成和结构化,又反映了在系统和超系统层面上的多维数字化编程,赋予了对象自动化和智能化的属性。

      魏东指出,编材制造涵盖纺织工程常见的等材制造、常规材料加工所用的减材制造和以3D打印、机器人为代表的增材制造,并提出编材制造在未来很可能将更多地服务于大纤维,且不局限于大纤维。王健对魏东的观点表示了赞同,并做了进一步解释。他认为,编材制造始于大纤维制造技术,但其所覆盖的制造对象具有超越性。比如,从微观的原子和分子层面看,基因编辑技术或生物合成技术、杂化及各类聚合物分子合成技术也属于编材制造。

      王健在《大纤维与编材制造:一场基于纤维的新工业革命》一文中详细介绍了编材制造可应用的行业,不仅包括传统领域如技术性纺织、医疗、建筑等,还对诸多战略性新兴产业如物联网、航空航天、智能机器人等有促进作用,具体的应用如采用编材制造技术制造智能纤维,并基于该纤维建立智能电子信息系统等。

      从这个意义上来说,编材制造技术突破了传统制造技术的约束,可实现从原子到超系统的各个物理层面的制造活动,极大地丰富了制造手段,有望形成具有重要意义和极高价值的新制造模式,具有制造技术革命的意义。

      但是,大纤维目前在我国仍处于发展初期,各种先进纤维的制备仍使用已有的制造工艺和设备。浙江大学高分子系教授高超表示,复合纤维的制造采用现有的原料和工艺,效率更高,且成本可控。但着眼于未来,适合大纤维制造的各种相关设备、工艺仍需不断研发。

      人的意识往往是超前的,大纤维概念获得了包括美国国家工程院院士程正迪教授在内的一批该领域权威专家的认可,国际上已有不少相关科研机构和企业不断加大研发投入力度。时机正不断趋于成熟,大纤维拥有无限可能。

      相关链接:

      ●HCPS理论:由中国工程院原院长周济提出。他认为,随着智能制造战略的持续推进,传统制造过程中的人与物理系统之间的关系正在由人—物理系统(HPS)二元体系向人—信息—物理系统(HCPS)三元体系转变。第二代智能制造系统发生的最本质变化是在人和物理系统之间增加了信息系统,该信息系统同时增加了认知和学习的功能。

      ●大纤维产业工作组:2014年,纺织工程、工业自动化、半导体、钢铁、科技情报等领域专家组建工作组,开始关注德国未来纺织计划。2016年4月,该工作组命名为中国科技自动化联盟纺织未来工作组,并正式成立。同年7月,该工作组更名为大纤维产业工作组。

      《中国冶金报》(2019年08月22日 03版三版)

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