新材料：無電発光繊維の成果が人と環境を変える

発光繊維で織られた服を身につけると、伝統的な発光繊維は常にチップと電池から離れられない。これにより、対応する紡績製品の体積が大きく、重量が重くなり、柔らかく、軽やかに作るのが難しい。

最近、東華大学の科学研究チームは『科学』に面白い論文を発表した。彼らは無線エネルギーの収集、情報の感知と伝送などの機能を一体化した新型知能繊維を開発した。この「ブラックテクノロジー」繊維は大気中に散逸した電磁エネルギーを集め、電気信号を発生させることができ、追加の電源を必要とせず、人体が軽く触れるだけで発光することができる。

従来の剛性半導体素子やフレキシブル薄膜素子などに比べて、スマート繊維から編成された電子織物はより良い通気性と柔軟性を有し、理想的なウェアラブルデバイス担体である。

今回発表された「科学」の成果も、スマート繊維分野で結実したものだ。

現在、世界のインテリジェント繊維開発は、信号収集されたセンシング繊維、信号伝送された導電繊維、情報表示された発光繊維、エネルギー供給された発電繊維など、シリコンベースチップを情報処理コアとして各種電子繊維機能モジュールを開発するいわゆる「フォン・ノイマンアーキテクチャ」に基づくことが多い。これらの機能モジュールは組み合わせて織物形態を作ることができるが、チップと電池への依存性が強く、織物の体積、重量、剛性は比較的に大きく、織物の機能性と快適性に対する人々のニーズを同時に満たすことは難しい。

今回、東華大学の科学研究チームは「非馮・ノイマン構造」の新型スマート繊維を開発的に提案し、エネルギー収集、情報感知、信号伝送などの機能を単一繊維に集積し、編むことでチップや電池に依存しないスマート織物を作り出した。

電磁波発射装置のそばに小さな織物を置くと、知能繊維で作られた格子状の刺繍が施されている。この刺繍を指で軽くなぞるだけで、テトリスのように点滅する光が見えます。

この「人体結合」の新しいエネルギー相互作用メカニズムは、知らないうちに、新しい繊維を発光させて発電することができる。

繊維材料改質国家重点実験室（東華大学）の研究員は、「この繊維はアパレル、布芸装飾などの日用織物に応用できる。人体と接触すると、発光によって可視化されたセンシング、インタラクティブ、さらにはハイライト照明を行うとともに、人体の異なる姿勢動作に独自の無線信号を生成し、さらにスマート家電などの電子製品に対して無線遠隔制御を行うことができる。これらの新しい機能は、電子製品の応用シーンを広げ、人々のスマートな生活様式を変えることも期待されています」

「サイエンス」は、米イリノイ大学エバナ・シャンペン校とマサチューセッツ工科大学の専門家を招いて成果を評価し、論文と同時期に刊行した。

コメントによると、この成果は人と環境及び人と人との相互作用方式を変えることが期待され、機能性繊維の開発及びスマートテキスタイルの異なる分野での応用に重要な啓発意義を持っている。基礎研究では、このスマート繊維と織物は人々の日常活動を妨げることなく、知らず知らずのうちに身体触覚データを大規模に収集することができるため、人体と外部との相互作用過程における物理情報をより効率的かつ容易に収集することができ、人体物理相互作用研究基礎モデルの発展を促進することが期待されている。

東華大学先進機能材料課題グループはスマート繊維材料とデバイスの研究に力を入れてきた。2012年にグラフェン導電繊維の研究を開始し、2016年にエレクトロクロミック繊維を開発し、2018年に初めてエレクトロクロミックとパワークロミック発電繊維の生産ラインを構築し、最終的に連続化、規模化の製造を実現した。その後、チームは連続的に製造できるセンシング繊維、発光繊維、温度調節繊維……一連の成果を次々と研究し、知能繊維分野の研究を深化させるための基礎を築いた。

「次の段階の仕事では、この新しい繊維を空間から効率的にエネルギーを収集し、それによって表示、変形、演算、人工知能など、より多くの機能を駆動する方法を深く研究します。近い将来、知能服装はより多くのことができ、人はより強くなり、環境にもより良い適応性を持つことができると信じています」と同課題チーム長、繊維材料改質国家重点実験室の王宏志教授は言う。