本報(bào)實(shí)習(xí)記者 趙萍
“在大纖維的世界里，我們的電視機(jī)可以卷起來帶走！”
這是河北清華發(fā)展研究院研究員魏東在近日召開的“大纖維和編材制造”首場研討會(huì)中描述的畫面。制造這種電視機(jī)的纖維材料具備接收及轉(zhuǎn)換信號(hào)、自發(fā)電、顯示等多項(xiàng)功能，且這些都是纖維的內(nèi)生功能，即自身便具備這些功能。再通過先進(jìn)的制造技術(shù)，基于多功能纖維開發(fā)新型智能器件和系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)形狀的隨意改變。
這不是科幻小說，現(xiàn)階段，我們的科學(xué)家正在致力于這類研究，試圖賦予纖維感知和信息處理功能。引用中國工程院原院長周濟(jì)的HCPS（人—信息—物理系統(tǒng)）理論，在大纖維的世界里，擁有“生命”和智能的纖維將作為一種載體，把物理世界、人體世界和虛擬世界連接起來。
香港理工大學(xué)陶肖明團(tuán)隊(duì)正從事基于纖維結(jié)構(gòu)的各種智能系統(tǒng)研發(fā)工作，如可穿戴的能量采集與能源存儲(chǔ)設(shè)備，即通過納米發(fā)電器將環(huán)境、人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能，儲(chǔ)存并應(yīng)用于可穿戴微電子系統(tǒng)。這意味著人體走路、蹲起等所有肢體動(dòng)作產(chǎn)生的動(dòng)能均可以轉(zhuǎn)換成其他設(shè)備所需的電能，將對(duì)人體產(chǎn)生的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)最大化利用。舉個(gè)最簡單的例子，以后出門無需再帶充電寶，要給手機(jī)充電不只可以利用太陽能，走走路也能實(shí)現(xiàn)。
東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任張耀鵬在會(huì)上表示，該實(shí)驗(yàn)室正在不斷調(diào)整、完善大纖維的傳感功能。此前一則“15歲亞裔少年為癡呆爺爺發(fā)明防走丟襪子”的新聞報(bào)道感動(dòng)了無數(shù)人，這種襪子主要依靠一小片圓形傳感器來工作，原理是當(dāng)他的爺爺站起來時(shí)，傳感器受到重力后會(huì)給手機(jī)發(fā)送提示信號(hào)。那么，這種創(chuàng)意在大纖維時(shí)代將如何呈現(xiàn)？通過研發(fā)新型纖維，無需特別增加傳感器，完全可以通過其自身性能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體行為的監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以跟蹤身體的生理健康狀況，預(yù)防外生和內(nèi)生的潛在危險(xiǎn)?？梢哉f，這種產(chǎn)品對(duì)醫(yī)療健康有著重要的意義。
引發(fā)材料技術(shù)革命
大纖維是一個(gè)很新的概念，最初是由大纖維產(chǎn)業(yè)工作組的專家于2016年提出來的，是基于材料、信息、機(jī)電、生物、能源等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)突破與交叉融合，以“智能，超能，綠色”為特征，具有多功能、多結(jié)構(gòu)、多組分特性，對(duì)眾多產(chǎn)業(yè)集群起到高滲透性、顛覆性、革命性提升效果的新一代纖維。經(jīng)過多次研討、反復(fù)論證，專家將大纖維的物理層次分為7層，從下到上為原子—分子（鏈）—纖維—織物—器件—系統(tǒng)—超系統(tǒng)（系統(tǒng)之系統(tǒng)）。他們認(rèn)為，大纖維雖發(fā)軔于紡織，但覆蓋范圍已大大突破了紡織行業(yè)，向下可延伸至基因編輯，向上可延伸至智能可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。并且，大纖維兼具材料技術(shù)革命與制造技術(shù)革命的雙重意義。
何為材料技術(shù)革命？大纖維突破傳統(tǒng)纖維局限，能夠感知、計(jì)算、儲(chǔ)能、通信、執(zhí)行。上海紡織科學(xué)研究院原副院長沈安京認(rèn)為，大纖維不是具象的一根纖維，也不似普通纖維那樣有著偏粗曠的制造方法。大纖維強(qiáng)調(diào)自身功能的精準(zhǔn)可控、數(shù)字化且可編程，不僅可對(duì)纖維材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀的調(diào)整，如進(jìn)行某種元素含量、原子或分子的排列組合等，使其具備特定的功能性并帶有信息編碼，而且可以進(jìn)一步將此類纖維加工成各類織物、柔性元件和智能系統(tǒng)。
大纖維產(chǎn)業(yè)工作組組長王健在《大纖維與編材制造：一場基于纖維的新工業(yè)革命》（詳見《中國冶金報(bào)》8月7日03版）一文中指出，大纖維包括碳納米管、石墨烯等為基的高性能或超高性能纖維、多功能智能纖維、高性能生物纖維等，具有跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的交叉融合特性，完全突破了傳統(tǒng)纖維的局限。如人造蜘蛛絲纖維，相較于碳纖維具有更好的延展性、柔韌度，也具備更高的強(qiáng)度，不僅可以應(yīng)用于紡織、醫(yī)療行業(yè)，在航空領(lǐng)域也有重要作用。歐洲空中客車公司稱，用鉛筆粗的人造蜘蛛絲纖維織成的網(wǎng)可以承受住一架重達(dá)200噸的A350寬體客機(jī)，再加上蜘蛛絲的抗菌等生物特性，更有利于推動(dòng)飛機(jī)在構(gòu)造方面的創(chuàng)新。
會(huì)上，張耀鵬對(duì)人造蜘蛛絲纖維進(jìn)行了簡單介紹。現(xiàn)階段用仿生方法做出的人造蠶絲比天然蠶絲性能更好，國內(nèi)正嘗試將蜘蛛的基因放入試驗(yàn)蠶中，再通過喂食法，使試驗(yàn)蠶吐出的絲具備蜘蛛絲的某些特殊性能。他還特別指出，目前，天然蜘蛛絲蛋白無法大批量獲得，轉(zhuǎn)基因蜘蛛絲蛋白價(jià)格昂貴，而人造蜘蛛絲纖維在國內(nèi)仍處于研發(fā)階段。并且，蜘蛛難以規(guī)模化飼養(yǎng)是制約人造蜘蛛絲發(fā)展的重要原因?？上驳氖?，我國已有一家實(shí)現(xiàn)了蜘蛛規(guī)模化飼養(yǎng)的企業(yè)，批量生產(chǎn)人造蜘蛛絲纖維的客觀條件正在不斷形成。
引發(fā)制造技術(shù)革命
大纖維同時(shí)還具有制造技術(shù)革命的意義。大纖維產(chǎn)業(yè)工作組的專家將大纖維制造技術(shù)創(chuàng)新地稱為編材制造。組長王健指出，與現(xiàn)有的增材制造、等材制造、減材制造內(nèi)涵不同，編材制造的“編”字既反映了傳統(tǒng)意義上纖維和紗線層面上的紡制和編織，又反映了在分子甚至原子層面的編輯和剪裁；既反映了在織物和器件層面上的集成和結(jié)構(gòu)化，又反映了在系統(tǒng)和超系統(tǒng)層面上的多維數(shù)字化編程，賦予了對(duì)象自動(dòng)化和智能化的屬性。
魏東指出，編材制造涵蓋紡織工程常見的等材制造、常規(guī)材料加工所用的減材制造和以3D打印、機(jī)器人為代表的增材制造，并提出編材制造在未來很可能將更多地服務(wù)于大纖維，且不局限于大纖維。王健對(duì)魏東的觀點(diǎn)表示了贊同，并做了進(jìn)一步解釋。他認(rèn)為，編材制造始于大纖維制造技術(shù)，但其所覆蓋的制造對(duì)象具有超越性。比如，從微觀的原子和分子層面看，基因編輯技術(shù)或生物合成技術(shù)、雜化及各類聚合物分子合成技術(shù)也屬于編材制造。
王健在《大纖維與編材制造：一場基于纖維的新工業(yè)革命》一文中詳細(xì)介紹了編材制造可應(yīng)用的行業(yè)，不僅包括傳統(tǒng)領(lǐng)域如技術(shù)性紡織、醫(yī)療、建筑等，還對(duì)諸多戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)如物聯(lián)網(wǎng)、航空航天、智能機(jī)器人等有促進(jìn)作用，具體的應(yīng)用如采用編材制造技術(shù)制造智能纖維，并基于該纖維建立智能電子信息系統(tǒng)等。
從這個(gè)意義上來說，編材制造技術(shù)突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)的約束，可實(shí)現(xiàn)從原子到超系統(tǒng)的各個(gè)物理層面的制造活動(dòng)，極大地豐富了制造手段，有望形成具有重要意義和極高價(jià)值的新制造模式，具有制造技術(shù)革命的意義。
但是，大纖維目前在我國仍處于發(fā)展初期，各種先進(jìn)纖維的制備仍使用已有的制造工藝和設(shè)備。浙江大學(xué)高分子系教授高超表示，復(fù)合纖維的制造采用現(xiàn)有的原料和工藝，效率更高，且成本可控。但著眼于未來，適合大纖維制造的各種相關(guān)設(shè)備、工藝仍需不斷研發(fā)。
人的意識(shí)往往是超前的，大纖維概念獲得了包括美國國家工程院院士程正迪教授在內(nèi)的一批該領(lǐng)域權(quán)威專家的認(rèn)可，國際上已有不少相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)不斷加大研發(fā)投入力度。時(shí)機(jī)正不斷趨于成熟，大纖維擁有無限可能。
相關(guān)鏈接：
●HCPS理論：由中國工程院原院長周濟(jì)提出。他認(rèn)為，隨著智能制造戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，傳統(tǒng)制造過程中的人與物理系統(tǒng)之間的關(guān)系正在由人—物理系統(tǒng)（HPS）二元體系向人—信息—物理系統(tǒng)（HCPS）三元體系轉(zhuǎn)變。第二代智能制造系統(tǒng)發(fā)生的最本質(zhì)變化是在人和物理系統(tǒng)之間增加了信息系統(tǒng)，該信息系統(tǒng)同時(shí)增加了認(rèn)知和學(xué)習(xí)的功能。
●大纖維產(chǎn)業(yè)工作組：2014年，紡織工程、工業(yè)自動(dòng)化、半導(dǎo)體、鋼鐵、科技情報(bào)等領(lǐng)域?qū)＜医M建工作組，開始關(guān)注德國未來紡織計(jì)劃。2016年4月，該工作組命名為中國科技自動(dòng)化聯(lián)盟紡織未來工作組，并正式成立。同年7月，該工作組更名為大纖維產(chǎn)業(yè)工作組。
《中國冶金報(bào)》（2019年08月22日 03版三版）
