一个由电气工程师和面料科学家组成的团队发明了一顶帽子，可以告诉佩戴者何时可以安全过马路。研究人员的概念验证豆豆帽是用锗纤维编织而成，可以感应变化的交通信号灯，并告知有视觉障碍的行人何时可以通行。这个原型展示了具有半导体内核的纤维如何编织成功能性服装，以收集、处理和存储信息，并且有一天可能促成可以像衣服一样穿戴的计算机的出现。
制造足够柔韧以用于服装的导电纤维并非易事。元素硅和锗的晶体形式——因其光学和电气特性而受到可穿戴电子行业的青睐——必须封装在保护性包层中，然后纺成耐用的细丝。以前使用称为热拉伸工艺的尝试只能生产通常太短（通常不超过几十厘米）的细丝，并在内核中留下裂缝或其他致残缺陷。但现在，研究人员首次开发出一种方法，可以制造出具有完整的光检测和电子特性的长而柔韧的纤维——正如编织豆豆帽所证明的那样。该团队在最近发表于《自然》杂志上的一项研究中描述了这些结果。
在典型的热拉伸过程中，硅被放置在玻璃管中并加热，直到两种材料都足够软，可以拉伸成细纤维。但“由于硅和玻璃外壳完全不同，当我们加热它们时，它们在拉伸能力方面会表现出完全不同的行为”，这项新研究的资深作者、新加坡南洋理工大学的功能性面料研究员Lei Wei说。这些材料膨胀或收缩方式的差异可能会给纤维带来压力并破坏其半导体内核。“压力是杀手，”Wei 说。
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为了解决这个问题，Wei 和他的团队引入了机械工程师，以帮助确定加热和拉伸过程的每个步骤中起作用的力。“我们使用他们的理论来指导我们选择材料，”Wei 说。一旦研究作者找到了正确的组合，他们就能够制造出在制造过程中幸存下来而没有缺陷或断裂的纤维，正如他们在《自然》杂志上报道的那样。
通过将硅放入石英玻璃中，并将锗放入铝硅酸盐玻璃中，研究人员生产出长度约为 100 米的连续纤维。接下来，他们蚀刻掉玻璃包层，并再次加热和拉伸纤维，这次将半导体内核嵌入聚碳酸酯塑料中。“这些纤维非常柔韧，”Wei 说，因此它们可以与棉、羊毛或丝绸等织物一起编织或纺织成“功能性纺织品”。研究人员生产了一种原型织物，宽度约为一米，长度为十米。这些纤维在水下工作，并在其他耐久性和压缩测试中也幸存下来。
弗吉尼亚理工大学智能纤维和可穿戴设备研究小组负责人 Xiaoting Jia 表示，这项工作将为更大规模生产硅或锗基半导体纤维铺平道路。她说，聚合物层的加入增加了柔韧性和绝缘性，并在纤维编织或针织成织物时保护纤维。“这变成了一个非常稳健和可扩展的过程，”Jia 补充道，他没有参与这项研究，但与人合著了一篇关于《自然》杂志上这项研究的随刊评论。
潜在的应用包括光学技术——例如光感应帽。豆豆帽的纤维将数据馈送到帽子内部的一个小型接口板。该板与一个应用程序通信，该应用程序使佩戴者的智能手机产生不同的振动，以指示交通信号灯何时变成红色或绿色。
该团队创建的另一个原型是一件包含硅光电子纤维的毛衣。该服装使用光保真 (Li-Fi) 通信接收和发送数据。在研究中，信息（在本例中是建筑物的照片）被转换为二进制代码，并通过毛衣以光脉冲的形式传输。研究人员还演示了一款可以监测心率的柔性表带。
澳大利亚新南威尔士大学医疗机器人实验室主任、软体机器人和功能材料专家 Thanh Nho Do 博士表示，这项新技术生产的半导体纤维足够坚固，可以手工或机器编织——并且适用于大规模制造。“它可以为集成更多功能开辟新的可能性，”他说，例如检测压力或温度的传感器，或软体机器人的控制器。
Wei 说，新发现可以指导研究人员选择材料和设计结构，以用于由其他元素制成的更复杂的半导体内核纤维。他的团队目前保持其结构的简单性，但未来的纺织品可以兼作更复杂的设备。一个正在进行的项目涉及尝试将纤维变成晶体管：这是能够编织计算设备的必要步骤。虽然第一个原型仅限于传感器，但 Wei 对未来可能会出现可穿戴计算机持乐观态度。