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你所不知道的大纖維世界
兼具材料技術革命與制造技術革命雙重意義

2019-08-22 09:11:00

  本報實習記者 趙萍

  “在大纖維的世界里,我們的電視機可以卷起來帶走!”

  這是河北清華發展研究院研究員魏東在近日召開的“大纖維和編材制造”首場研討會中描述的畫面。制造這種電視機的纖維材料具備接收及轉換信號、自發電、顯示等多項功能,且這些都是纖維的內生功能,即自身便具備這些功能。再通過先進的制造技術,基于多功能纖維開發新型智能器件和系統,并實現形狀的隨意改變。

  這不是科幻小說,現階段,我們的科學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的HCPS(人—信息—物理系統)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。

  香港理工大學陶肖明團隊正從事基于纖維結構的各種智能系統研發工作,如可穿戴的能量采集與能源存儲設備,即通過納米發電器將環境、人體運動產生的能量轉換為電能,儲存并應用于可穿戴微電子系統。這意味著人體走路、蹲起等所有肢體動作產生的動能均可以轉換成其他設備所需的電能,將對人體產生的動能實現最大化利用。舉個最簡單的例子,以后出門無需再帶充電寶,要給手機充電不只可以利用太陽能,走走路也能實現。

  東華大學纖維材料改性國家重點實驗室副主任張耀鵬在會上表示,該實驗室正在不斷調整、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明防走丟襪子”的新聞報道感動了無數人,這種襪子主要依靠一小片圓形傳感器來工作,原理是當他的爺爺站起來時,傳感器受到重力后會給手機發送提示信號。那么,這種創意在大纖維時代將如何呈現?通過研發新型纖維,無需特別增加傳感器,完全可以通過其自身性能實現對人體行為的監測,同時可以跟蹤身體的生理健康狀況,預防外生和內生的潛在危險。可以說,這種產品對醫療健康有著重要的意義。

  引發材料技術革命

  大纖維是一個很新的概念,最初是由大纖維產業工作組的專家于2016年提出來的,是基于材料、信息、機電、生物、能源等學科領域的技術突破與交叉融合,以“智能,超能,綠色”為特征,具有多功能、多結構、多組分特性,對眾多產業集群起到高滲透性、顛覆性、革命性提升效果的新一代纖維。經過多次研討、反復論證,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—超系統(系統之系統)。他們認為,大纖維雖發軔于紡織,但覆蓋范圍已大大突破了紡織行業,向下可延伸至基因編輯,向上可延伸至智能可穿戴設備等領域。并且,大纖維兼具材料技術革命與制造技術革命的雙重意義。

  何為材料技術革命?大纖維突破傳統纖維局限,能夠感知、計算、儲能、通信、執行。上海紡織科學研究院原副院長沈安京認為,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。大纖維強調自身功能的精準可控、數字化且可編程,不僅可對纖維材料結構進行微觀的調整,如進行某種元素含量、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,而且可以進一步將此類纖維加工成各類織物、柔性元件和智能系統。

  大纖維產業工作組組長王健在《大纖維與編材制造:一場基于纖維的新工業革命》(詳見《中國冶金報》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,具有跨領域、跨學科的交叉融合特性,完全突破了傳統纖維的局限。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,也具備更高的強度,不僅可以應用于紡織、醫療行業,在航空領域也有重要作用。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可以承受住一架重達200噸的A350寬體客機,再加上蜘蛛絲的抗菌等生物特性,更有利于推動飛機在構造方面的創新。

  會上,張耀鵬對人造蜘蛛絲纖維進行了簡單介紹。現階段用仿生方法做出的人造蠶絲比天然蠶絲性能更好,國內正嘗試將蜘蛛的基因放入試驗蠶中,再通過喂食法,使試驗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,轉基因蜘蛛絲蛋白價格昂貴,而人造蜘蛛絲纖維在國內仍處于研發階段。并且,蜘蛛難以規模化飼養是制約人造蜘蛛絲發展的重要原因。可喜的是,我國已有一家實現了蜘蛛規模化飼養的企業,批量生產人造蜘蛛絲纖維的客觀條件正在不斷形成。

  引發制造技術革命

  大纖維同時還具有制造技術革命的意義。大纖維產業工作組的專家將大纖維制造技術創新地稱為編材制造。組長王健指出,與現有的增材制造、等材制造、減材制造內涵不同,編材制造的“編”字既反映了傳統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構化,又反映了在系統和超系統層面上的多維數字化編程,賦予了對象自動化和智能化的屬性。

  魏東指出,編材制造涵蓋紡織工程常見的等材制造、常規材料加工所用的減材制造和以3D打印、機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于大纖維,且不局限于大纖維。王健對魏東的觀點表示了贊同,并做了進一步解釋。他認為,編材制造始于大纖維制造技術,但其所覆蓋的制造對象具有超越性。比如,從微觀的原子和分子層面看,基因編輯技術或生物合成技術、雜化及各類聚合物分子合成技術也屬于編材制造。

  王健在《大纖維與編材制造:一場基于纖維的新工業革命》一文中詳細介紹了編材制造可應用的行業,不僅包括傳統領域如技術性紡織、醫療、建筑等,還對諸多戰略性新興產業如物聯網、航空航天、智能機器人等有促進作用,具體的應用如采用編材制造技術制造智能纖維,并基于該纖維建立智能電子信息系統等。

  從這個意義上來說,編材制造技術突破了傳統制造技術的約束,可實現從原子到超系統的各個物理層面的制造活動,極大地豐富了制造手段,有望形成具有重要意義和極高價值的新制造模式,具有制造技術革命的意義。

  但是,大纖維目前在我國仍處于發展初期,各種先進纖維的制備仍使用已有的制造工藝和設備。浙江大學高分子系教授高超表示,復合纖維的制造采用現有的原料和工藝,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設備、工藝仍需不斷研發。

  人的意識往往是超前的,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的一批該領域權威專家的認可,國際上已有不少相關科研機構和企業不斷加大研發投入力度。時機正不斷趨于成熟,大纖維擁有無限可能。

  相關鏈接:

  ●HCPS理論:由中國工程院原院長周濟提出。他認為,隨著智能制造戰略的持續推進,傳統制造過程中的人與物理系統之間的關系正在由人—物理系統(HPS)二元體系向人—信息—物理系統(HCPS)三元體系轉變。第二代智能制造系統發生的最本質變化是在人和物理系統之間增加了信息系統,該信息系統同時增加了認知和學習的功能。

  ●大纖維產業工作組:2014年,紡織工程、工業自動化、半導體、鋼鐵、科技情報等領域專家組建工作組,開始關注德國未來紡織計劃。2016年4月,該工作組命名為中國科技自動化聯盟紡織未來工作組,并正式成立。同年7月,該工作組更名為大纖維產業工作組。

  《中國冶金報》(2019年08月22日 03版三版)

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