張 晶，黃治恒，牛廣亮，梁 生，楊旅云，魏 磊，周時鳳，侯 沖,6，陶光明,7

(1.中國地質大學(武漢)機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學 武漢光電國家研究中心和光谷實驗室，湖北 武漢 430074；3.北京交通大學 物理科學與工程學院，北京 100044；4.南洋理工大學 電氣與電子工程學院，新加坡 639798；5.華南理工大學 材料科學與工程學院，廣東 廣州 510640；6.華中科技大學 光學與電子信息學院，湖北 武漢 430074；7.華中科技大學 材料成型與模具技術國家重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

紡織品作為最早的纖維材料，自出現以來，即有蔽體遮羞、隔濕保暖、裝飾美化等多種用途。我國紡織業(yè)歷史悠久且成就斐然，早在五六千年前的新石器時代，我們的祖先就開始使用葛藤纖維、蠶絲、動物毛纖維等天然動植物纖維紡紗、織布用于衣著[1]。隨著社會的發(fā)展，我國的紡織纖維原料和紡織技術取得了巨大的進步。紡織纖維不僅可取材于棉、麻、蠶絲、羊毛等天然動植物纖維，亦可由纖維素、高分子化合物及玻璃纖維等化學纖維構成[2]。隨著現代科技發(fā)展及生活水平提升，在現有高品質纖維的基礎上，研究者開始探索具有傳感監(jiān)測、溫控儲能、交互控制等附加功能的智能紡織品。智能紡織品所具備的輕便透氣、柔軟等織物傳統優(yōu)勢，使其能夠更好地適應體表三維曲面，并獲取更為豐富而準確的信息。

在眾多纖維制造技術中，可制備多材料纖維的熱拉工藝為智能紡織品的創(chuàng)新和發(fā)展提供了一種值得探索的研究方向[3]。纖維熱拉工藝最初為批量化生產通信用石英光纖而發(fā)明，通過制棒—加熱—軟化—拉絲工藝，具有芯-包層結構的光纖石英預制棒熱拉制為微米級直徑的光纖[4]。與光纖的制備過程類似，基于熱拉工藝的多材料纖維制備一般包括2個步驟：第1步是制造具有特定結構與材料組成的預制棒；第2步則將多材料預制棒在加熱爐內軟化，并被施以外力拉制成具有相同結構、直徑為微米級的細絲。目前，熱拉工藝不僅可制備傳統的石英玻璃光纖，亦可制備包含有聚合物、金屬、半導體、玻璃等種類豐富的多材料功能纖維。熱拉制技術作為一種新穎的纖維制造方式表現出獨特的特點：1)纖維預制棒在厘米尺度上構建，其內部結構可通過機械加工精確調控；2)具有聲、光、電、磁、壓電、熱電等特性的功能材料，以及具有運算及顯示功能的微型芯片，均可共拉制備復合功能智能纖維；3)熱拉工藝具備可擴展、批量生產性，單一預制棒通過軸向尺度縮小即可制備千米級長度的纖維；4)可采用保護性包層材料封裝功能纖維，賦予纖維防水、不受環(huán)境影響等特性?；跓崂に嚨奶攸c，熱拉式多材料纖維已成為智能紡織品探索的重要方向。

本文介紹了基于熱拉工藝制備的多材料纖維的典型結構及其傳感功能，梳理分析了柔性能源纖維、神經探針纖維、可運算纖維等功能纖維的研究進展，并對熱拉式多材料纖維的潛在發(fā)展方向及應用前景進行了展望。

1 微納結構纖維

熱拉式多材料纖維由預制棒加熱拉絲制得，纖維橫截面可通過預制棒結構設計以具有豐富的功能結構，而纖維縱軸向一般為單一連續(xù)結構。為進一步豐富纖維縱軸向結構，增加纖維的功能和可設計維度，研究人員一直致力于制備具有縱軸向微納結構的多材料纖維。結合纖維內流體不穩(wěn)定性形變、冷拉形變、表面微納壓印等原理，熱拉纖維目前突破了單一縱軸向連續(xù)結構，可構建微納結構及功能單元，如圖1所示。

圖1 具有微納結構的熱拉式多材料光電子纖維示意圖

1.1 一維光子帶隙光纖

由于光纖材料對中紅外光波段具有吸收、散射等效應，傳統光纖往往難以實現對中紅外光波段的低損耗傳輸，因此通過光纖結構設計以降低中紅外光波傳輸損耗成為一個重要研究方向。由熱拉工藝制備的空芯布拉格光纖成為良好的發(fā)展方向?？招静祭窆饫w通過高低折射率周期性交替層構成光子帶隙(PBG)反射鏡(見圖1(a))，將光波約束在空芯腔內進行傳播。Temelkuran 等[5]基于全向介質鏡纖維制造技術[6]，圍繞空芯腔構造了亞微米厚度的多層光柵結構，高折射率玻璃三硫化二砷(As2Se3)和低折射率聚合物聚醚砜(PES)交替層組成PBG反射鏡，使得10.6 μm波長的CO2激光可被空芯腔反射并傳導。其損耗小于1.0 dB/m，遠低于已報道的可用于CO2激光傳輸的光纖損耗[7]，展現了光纖結構設計實現中紅外光波段低損耗傳導的潛力，在醫(yī)療等領域將有廣泛的應用前景。

1.2 纖維內納米線

熱拉式多材料纖維可具有納米線結構，其制備目前采取2種方式：1)基于熱拉纖維內流體不穩(wěn)定性制備；2)采用多步迭代熱拉法制備。2008年，Deng等[8]構造同軸多層半導體薄膜預制棒進行熱拉制。薄膜厚度小于一定限度時，熱拉纖維中的半導體圓柱殼因流體不穩(wěn)定性引起的擾動破裂成微米至納米級細絲陣列。此外，Kaufman等[9]采用多步迭代熱拉在聚合物PES中制備了50～200 nm玻璃As2Se3納米線。他們首先制備了具有厘米級直徑的纖維預制棒并將其拉制為微米纖維；然后，將拉制的纖維組裝于新的預制棒中進一步熱拉，如有需要可重復拉制步驟。多步迭代熱拉可擴展地逐級降低芯部材料尺度，形成纖維內納米線(見圖1(b))。這種獨特的纖維熱拉納米線具有多個優(yōu)勢：1)在單根纖維中產生多個纖芯納米線，如1根直徑為1 mm的纖維內部即可產生107個直徑為100 nm的納米線；2)纖維內納米線陣列方向可控；3)多材料適配性，熱拉纖維內可制備有序均勻金屬玻璃線，其可控特征尺寸低至幾十納米，縱橫比大于1010，解決了納米級金屬玻璃線制造的技術難題[10]。

1.3 纖維內微納米顆粒

微納米粒子因具有微觀結構并由特殊材料組成，在藥物運輸[11]、生物催化及光學涂層[12]多種領域具有廣泛應用。微納米粒子制造一般通過化學合成、物理拋磨、微納光刻工藝等方式實現?；诙嗖牧侠w維內的界面效應，熱加工可誘發(fā)并控制纖維內流體不穩(wěn)定性形變，使材料回流、破裂以制備微米及亞微米級球、棒結構(見圖1(c)、(d))。

2012年，Kaufman等[13]首次利用熱拉纖維來制備尺寸均勻、特殊結構的球形顆粒，采用聚合物PES與玻璃As2Se3熱共拉方式制得纖維，隨后熱處理纖維誘導Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定性形變，使纖芯分裂成獨立的微球結構，為微納粒子制備提供了新路徑。如通過設計纖維界面結構的方法可批量制備Janus球、徑向對稱球等復合結構(見圖1(c))。該方法亦可與纖維內結構設計相結合，構建具有功能單元的智能感知纖維[14]。Wei等[15]在纖維內精密構造金屬-半導體微球-金屬光纖器件，金屬導線與半導體微球連接構成階梯狀結構，賦予單根玻璃纖維光敏測量特性，顯著增加了纖維內功能器件密度。此外，纖維內粒子還可通過激光熱毛細對流進行精準定位與調控[16]，精密制造半導體光電子器件，未來有望在可穿戴、成像診斷、地質勘查等領域發(fā)揮作用。

不同于上述熱誘導纖維內纖芯Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定性，紡織工業(yè)中的冷拉伸工藝[17]亦可用于熱拉式多材料纖維的結構調控。延展性聚合物與脆性材料間的組合具有機械不匹配性，冷拉伸多材料多結構纖維可用于制造纖維內微納米結構棒(見圖1(d))。冷拉伸的聚合物纖維沿軸向生成擴展肩，纖芯在肩部周期有序地破碎成微納米結構棒，可制備雙室平行Janus粒子、中空圓柱形Janus粒子和帶有方孔的三角形粒子等微納米棒結構[18]。纖維內部碎裂在冷拉伸后是熱可逆的，將纖維加熱到其玻璃化轉變溫度以上會導致碎裂的纖芯自我修復。這種動態(tài)和熱可逆地控制纖維內結構，為微納米多結構棒的可擴展生產提供新途徑。

1.4 表面微納米圖案纖維

除了關注纖維的材料選擇和內部結構調控外，熱拉式多材料纖維表面亦可構建特殊微納米結構，使纖維具有疏水表面、結構生色、抗菌等特性。Khudiyev等[19]構造了表面具有特定圖案的預制棒，熱拉過程的高拉伸比可制備具有亞微米結構表面的功能纖維。纖維表面形成衍射光柵與各向異性結構，賦予纖維結構生色和定向濕潤特性。另一種熱拉表面微結構纖維則是在熱拉過程中對纖維進行表面壓花處理[20](見圖1(e))。1對壓花輥固定在熱拉纖維頸縮區(qū)域正下方，由于頸縮區(qū)域的溫度足夠高，壓花輥直接在纖維表面壓印圖案，壓印特征尺寸僅數十納米。具有表面微結構的纖維可用作摩擦納米發(fā)電纖維，具有顯著增強的電流輸出特性[21]。

1.5 多孔纖維

多孔纖維內部存在孔隙結構，可應用于氣體分離、濕度傳感[22]和組織工程支架[23]。傳統工藝一般采用相分離聚合物擠出液以批量制備圓柱形狀多孔纖維。基于傳統相分離工藝原理，熱拉工藝可誘導纖維預制棒內聚合物-溶劑混合物相分離，構筑多孔纖維。熱拉式多孔纖維可由冷卻速率控制孔隙尺寸，孔隙在500 nm～10 μm范圍內可調[24]。Shahriari等[23]則將鹽浸與熱拉制結合，制備氯化鈉顆粒與聚己內酯(PCL)復合纖維。纖維浸泡在溶劑中去除鹽顆粒以獲得多孔結構，得到帶有微通道的PCL多孔纖維(見圖1(f))。這些微通道的多孔纖維還能進行表面熔融印刷處理，排列成可應用于神經再生與組織修復的生物支架。

2 熱拉傳感纖維

纖維及其織物長久以來作為服飾、蒙皮等服務于人類社會，因此，纖維及其織物的智能化發(fā)展可作為人體良好的“無負擔型”傳感與狀態(tài)監(jiān)測媒介?；跓崂に嚨膫鞲欣w維內部可集成具有聲、光、電等特性的多種功能材料，賦予纖維聲波、光電、應力及生化傳感功能(見圖2中a～d)。熱拉式傳感纖維具有結構設計與多材料多功能集成特性，為纖維的智能傳感與監(jiān)測提供新的研究思路。

2.1 聲波感知纖維

織物一般由互相纏繞的紗線組成的層級結構構成，這種結構中龐大且復雜的界面可高效地散射并傳播聲子，成為聲波探測的良好載體，而熱拉式多材料纖維也展現出聲波感知的巨大潛力。Egusa等[25]通過熱拉工藝在纖維內部集成鐵電聚合物，得到能感知千赫茲到兆赫茲頻率的壓電式聲學傳感纖維。隨后，設計出金屬-導電聚合物-壓電層的蛇形纖維結構，解決了聲波感應面積最大化與感應界面固有能量損失的問題[26]。Wang等[27]通過熱拉工藝將薄層壓電聚合物聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物與金屬電極相集成，研發(fā)了柔性聲波感知纖維器件，其可感知較寬頻率范圍(2～8 MHz)的超聲波。除了探測高頻聲波信號外，熱拉式多材料纖維亦可像人耳一樣感知并記錄微小低頻聲波信號。Yan等[28]采用熱拉法將壓電材料、電極及氫化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)彈性材料集成為柔性聲波感知纖維。該纖維被編織進織物中組成聲波探測織物，可像耳蝸一樣將微弱的聲波振動轉化為電信號，實現聲音的感知與分析(見圖2中a)。

圖2 熱拉式多材料光電子纖維的應用領域及展望

2.2 光電感知纖維

基于熱拉工藝制備的金屬-半導體-絕緣體結構功能纖維具有光電感知功能。Abouraddy等[29]設計了一種四電極環(huán)繞半導體芯的聚合物光電纖維，可被編織成光電探測纖維網，在大范圍探測光場強度與方向(見圖2中b)。得益于熱拉式多材料纖維的結構可設計特性，光電感知纖維內部還能集成布拉格光柵結構[30]，使其具備光譜響應功能，顯著增強感應電流[31]。熱拉纖維通過內部集成金屬-半導體-絕緣體實現了光電探測能力，但芯部較大尺寸的半導體會給電子-空穴對帶來大量的復合陷阱，限制了纖維的探測能力。以半導體薄膜替代塊狀半導體，Sorin 等[32]在纖維內部集成了8個光電探測器，其特征尺寸僅為100 nm。這種獨特的雙環(huán)光纖能在可見光范圍內具有5 nm的波長分辨率，對入射光的角度分辨率小于4°，提高了纖維的光電感知性能。另一種策略則是誘導纖維發(fā)生液柱在界面張力作用下破碎成小液滴的自然現象，增大纖維內功能結構密度[33]。Dai等[34]展示了外包聚甲基丙烯酸甲酯的銅絲-硒-銅絲光電纖維，實現了0.11 s的快速響應特性。此外，熱拉式多材料光電纖維還可與3D打印技術相結合制造出超平面形式的結構[35]，用于探測飛機機翼內部的結構缺陷。

2.3 應力感知纖維

基于熱拉工藝制備的纖維應力傳感器可以檢測壓力、彎曲、剪切等外部刺激，將其按一定的規(guī)律轉化為電信號，可應用在運動[36]、人體行為檢測[37-38]、機器皮膚[39]等多個領域。同時，熱拉式應力感知纖維應具有較好的柔韌性和延展性，適應復雜的人體曲面。Nguyen-Dang等[40]設計了一種懸梁臂結構的微機電纖維，可實現單纖檢測多點壓力與亞毫米級位置定位，為可穿戴織物大面積傳感與定位提供重要機遇。上述微機電纖維外包層是剛性結構，限制了其應力傳感范圍(大于0.3 N)。軟彈性體聚合物結構內連續(xù)熱共拉導電功能材料可解決上述問題，如載碳聚乙烯、液態(tài)金屬。通過流變學和微觀結構分析，SEBS、有機硅氧烷脲共聚物等彈性體聚合物被識別出可在高黏度(大于1 000 Pa·s)下進行熱拉制[41]。Leber等[42]通過熱拉工藝制備了柔軟可拉伸的多電極液態(tài)金屬傳輸線。傳輸線通過電時域反射儀可在單纖上同時測量拉力與壓力并解耦，其壓力的分辨率可達0.2 N，空間分辨率小于6 cm。單根液態(tài)金屬傳輸線可集成于紡織品中進行壓力分布式傳感，實現紡織品的大面積功能化(見圖2中c)。

2.4 生化感知纖維

基于熱拉纖維的生物化學傳感器在捕獲和感知目標物質上展現出高靈敏、易制作、低成本等優(yōu)勢。為實現遠程監(jiān)測有毒有害氣體，Gumennik等[43]將光探測元件整體式集成在聚合物纖維中空芯的兩側，纖維空芯腔內表面涂覆傳感材料，材料可與流經纖維芯的過氧化氫蒸汽發(fā)生化學反應而產生光波，并被嵌入光纖的光電探測器感知(見圖2中d)。為了實現便攜式的定量分析檢測，Richard等[44]采用熱拉工藝制備了全光纖電化學傳感器，并使用對乙酰氨基酚作為個性化醫(yī)療的模型分析物來表征設備性能，其靈敏度與商業(yè)絲網印刷電極相當。通過使用 “電化學移液器吸頭”，該纖維可直接采樣并分析微升量級的液體，構成一種低功耗、完全便攜的分析儀。

3 柔性能源纖維

智能紡織品可作為人體與外界環(huán)境的一道保護屏障。通過物理光學、材料科學和紡織工程學等多學科融合而產生的熱拉式功能纖維，將有望提供溫度可調節(jié)及能源可收集的功能性纖維制品(見圖2中e～g)。

3.1 溫控織物

為應對全球變暖和極端高溫挑戰(zhàn)，緩解能源消耗和個人熱舒適性的矛盾，具有先進個人熱管理功能的智能紡織品受到廣泛關注[45]。其中，熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉換的功能材料，但其通常塊狀剛性、體積大的特點限制了在人體不規(guī)則表面的應用。柔性熱電纖維通過將熱電材料熱拉為纖維狀，可使熱電器件具有柔軟、輕便等特點，將其集成于日常服裝中可實現溫度調控功能(見圖2中e)。Zhang等[46]在纖維中集成p型Bi0.5Sb1.5Te3和n型Bi2Se3來制造超長柔性熱電纖維，其具有與塊狀熱電材料相同的熱電性能，進一步編織成柔性織物可實現最高5 ℃的體溫調節(jié)。此外，單晶硒化錫(SnSe)也是高性能的熱電代表材料，可實現高效的熱電轉換。Zhang等[47]提出了一種超長纖維狀單晶SnSe線的制備策略，其具有巖鹽結構和高熱電性能。SnSe材料通過熱拉工藝產生多晶熱電纖維，然后CO2激光器誘導SnSe纖芯重結晶為單晶結構，使纖維在862 K時具有最高為2的高熱電優(yōu)值。

基于對材料的選擇與結構調控，熱拉纖維內可集成熱電材料以實現能源纖維的熱管理功能。此外，可通過纖維材料及織物結構設計提高紡織品的熱輻射性能，使纖維具有輻射降溫功能。類似于熱拉工藝的加熱-軟化-拉絲原理，熔融紡絲工藝亦可實現多材料能源纖維制備，并可更好地與傳統紡織工藝兼容以批量制備溫度調控纖維。Zeng等[48]基于輻射降溫的原理和形態(tài)分級的設計理念開發(fā)了一種選擇性響應的光學超材料織物，其可在暴曬環(huán)境中為人體降溫近5 ℃，選用聚乳酸為纖維原料，引入不同尺寸的納米二氧化鈦顆粒，獲得了均勻連續(xù)的超材料纖維；進一步利用紡紗、織造和層壓技術，以及米氏散射理論和蒙特卡羅模擬的數值模型進行結構設計及優(yōu)化，得到在太陽光波段(0.3～2.5 μm)具有92.4%反射率、在大氣透明光譜窗口(8～13 μm)具有94.5%發(fā)射率的超材料織物(見圖2中f)。這項研究實現了不同學科之間的交叉融合，并為大規(guī)模制造超材料織物提供了可行的方案，對傳統紡織工業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展具有重要的啟示。

3.2 柔性纖維電池

隨著人們對可穿戴電子設備需求的不斷增加，對柔性能源纖維的研究尤為迫切，它將使可穿戴電子設備的全柔性化成為可能[49]。構建基于纖維電池的自供電紡織品集成系統是當前的發(fā)展趨勢。Khudiyev等[50]使用熱拉工藝制備了一種超長的柔性鋰離子纖維電池，實現了在柔性包殼中容納多種復雜的電活性凝膠、粒子和聚合物(見圖2中g)。這種方法可制備出任意長度、具有復合功能的鋰離子纖維電池，其中長度為140 m的纖維電池的放電容量為123 mA·h，放電能量為217 mW·h。柔性纖維電池具有可拓展性和材料可調性，可適用于各種非平面的電子系統，將來有望為基于纖維的電子設備和傳感器供電。

目前，除熱拉工藝外，常見的柔性纖維電池制備工藝還包括以傳統纖維為基礎的纖維表面功能化工藝，也為柔性纖維電池的發(fā)展開啟新的窗口。Yang等[51]采用水熱合成法制造了一種基于導電纖維基板的柔性鎳-鐵電池。在電流密度為2 mA/cm2、面能量密度為235.6 μW·h/cm2的條件下，組裝后的纖維狀水基可充電電池的容量為0.294 mA/cm2，可解決電池中易燃有機電解液帶來的安全問題。受限于低能量密度的鐵基負極材料，Yang等[52]進一步對高能量密度可穿戴式鎳-鐵電池進行了探索研究。以生長有硫摻雜氧化鐵納米線陣列的碳納米管纖維作為負極，使用鋅鎳鈷氧化物復合材料作為正極，纖維狀水基電池的容量為0.46 mA·h/cm2，體積能量密度為67.32 mW·h/cm3，性能優(yōu)于大多數纖維狀水基二次電池。

4 其它功能特種纖維

4.1 神經探針纖維

隨著光遺傳學和神經科學的發(fā)展，光纖開始作為神經探針對神經細胞進行刺激、探測和調控。傳統的玻璃光纖易造成生物組織損傷，留下神經膠質瘢痕。相比之下，熱拉式多材料纖維具有良好的柔性[53]、生物相容性[54]、信號記錄及藥物運輸功能，在神經探針領域具有巨大的應用前景(見圖2中h)。

由于神經組織彈性模量低，神經探針必須有足夠的柔韌性并可經受脊髓的反復拉伸[55]。Lu等[56]研究了一種柔性可拉伸探針，它以熱拉伸聚合物纖維為芯，表面覆蓋一層銀納米線導電網，該結構被封裝在一層聚二甲基硅氧烷中防止其氧化與降解。該探針可以記錄光學誘發(fā)脊髓神經電位，促進脊髓損傷后的恢復。除了改善探針的柔性外，長期光刺激與信號探測有益于理解腦中神經網絡、治療神經系統疾病[57]。Du等[58]研究了一種可以長期產生光學刺激與神經信號的柔性微小探針，它通過熱拉工藝嵌入金屬電極于雙包層光波導的聚合物光纖中，具有良好的生物相容性。在小鼠的單細胞水平上，長期(至少10周)的光學刺激和神經信號可得到有效記錄。此外，多材料功能纖維還可用于免疫療法的藥物遞送和腫瘤的阻抗測量。例如，芯層為聚碳酸酯、包層為聚偏二氟乙烯的光纖中嵌入2根銅電極，可用于腫瘤的阻抗測量，纖維通過纖芯中留有的空芯通道用于精準局部給藥[59]。

熱拉式多材料纖維能夠在單根纖維上將具有不同電學、光學、力學和流變特性的材料結合在一起[60]，實現了神經記錄、光遺傳學刺激和藥物傳遞等多種功能的集成[61]。除了上述單點式的神經纖維探針外，也研發(fā)了空間可拓展的多點式神經纖維探針[62]。飛秒激光微加工技術在沿光纖軸向的不同間隔位置上暴露電極記錄點、微流體通道開口和波導窗口，最終實現單根纖維對深部腦組織的多點式記錄和操作。

4.2 芯片纖維

半導體二極管是現代計算、通信和傳感器件的基本組成部分，將其納入紡織級纖維中可使織物具有通信或生理檢測等功能。通過熱拉工藝，商用高性能半導體二極管亦可集成于纖維內。Rein等[63]將微型光電芯片嵌入到纖維預制棒中，通過熱拉工藝的加熱—拉制過程，芯片與導線的橫向間距逐漸減小，最終實現電接觸。發(fā)光二極管和p-i-n光電二極管均已成功整合到光纖中，并且排編織進日?？椢铮纬煽蓽y量心率的光學脈動紡織品傳感器(見圖2中i)。之后，該團隊又使用上述制備方法將具有4個角定位接觸墊的方形硅微型數字芯片與鎢絲結合，制備了一種可長達數十米的數字光纖[64](見圖2中j)。該柔性光纖每米的存儲密度約為7.6×105bit，整根智能芯片纖維中的芯片可單獨尋址。當將數字纖維整合到襯衫中時，它可以收集和存儲多天的體溫數據，并通過經過訓練的神經網絡實時推斷佩戴者的活動，準確度可達96%。

5 展 望

隨著我國材料科學與先進制造工藝的發(fā)展，纖維及其制品可以通過涂層、紡絲、沉積及印刷等多種工藝被賦予多種多樣的功能?；跓崂に囍苽涠嗖牧侠w維，是近年來伴隨材料科學、界面固體力學、光纖光學等多學科發(fā)展而產生的新興制備工藝?；跓崂に囍苽淅w維及其制品，可通過預制棒精確地構建及集成所需材料與結構。熱拉制過程中的纖維具有軸向均一性，可保證聲、光、電、熱、磁、機械等功能材料在纖維內高度集成，制備具有復雜及復合功能的光電子功能纖維。未來熱拉式多材料纖維光電子技術領域的研究還需關注以下方面。

材料選擇：相較于豐富的紡織纖維材料體系，基于熱拉工藝制備的多材料纖維可選材料依然受限，其功能性依然具有探索空間。應進一步探索并拓展可適配于熱拉工藝的材料體系，豐富纖維功能及應用場景。

纖維結構調控：基于熱拉工藝制備多材料纖維，雖可在纖維縱軸向及橫截面進行結構設計，但熱拉工藝仍會導致結構異常而限制纖維功能性。如何改善纖維內部材料的界面微觀結構，提升纖維結構穩(wěn)定度和精確度，是提升熱拉纖維性能需關注的關鍵問題。

紡織加工：目前，熱拉式多材料纖維一般通過織入現有織物而實現其功能，熱拉式多材料纖維制備過程尚不能達到紡織纖維的制備工藝穩(wěn)定度。同時，由熱拉式多材料纖維構成的智能織物其可穿戴、舒適性依然有待提升。為達到紡織纖維標準，熱拉工藝仍需改善，以便與紡織加工相結合開發(fā)出具有良好可穿戴特性的多功能纖維基智能紡織品。

功能集成：當前大多數熱拉式多材料纖維都表現出單一功能，將多種功能獨立地集成到單根纖維中仍是重大挑戰(zhàn)。增加單根纖維中的功能器件密度需要保證功能結構的基礎上，盡可能地縮小其特征尺寸。如何提升熱拉纖維功能集成度及功能單元密度仍需進一步探索。

智能織物：當單個纖維可以執(zhí)行傳感、數據存儲、處理和通信功能時，這些纖維所組成的智能紡織品即成為一個全新的計算織物[65]。人體穿著于這樣的智能紡織品使得身體大量的聲、光電、生化信息被采集捕捉，計算織物通過人工智能與機器學習算法分析這些數據，進一步可從織物中提取人體行為與生理健康等相關參數[66]。通過多功能纖維作為執(zhí)行單元，人工智能技術作為認知引擎可制得一種健康智能體。多種健康智能體可以部署在多個場景如健康監(jiān)測、治療、健康保護和微創(chuàng)手術中[67]。此外，為了更好地滿足醫(yī)療的智能化需求，提出了由織物作為傳感單元、多層級網絡作為傳輸架構、人工智能技術作為計算核心的織物智能空間的概念[68]。

熱拉式多材料纖維光電子技術在通信、可穿戴感知、能源、神經科學及人工智能等多個技術領域展現出廣泛的應用前景。未來的熱拉式多材料纖維將從單一功能纖維向多參量感知、復合功能纖維、智能計算纖維等多方向發(fā)展，在傳感監(jiān)測、換能儲能、體溫調控、交互控制、人工智能等多個領域發(fā)揮作用。同時，熱拉纖維需積極結合紡織科學、信息與計算科學、材料科學等多研究方向，進一步拓展其場景普適性，提升其穿戴舒適性，發(fā)展其工業(yè)生產批量性。熱拉式多材料纖維光電子技術有望發(fā)展成為具有新經濟增長點的多功能智能紡織品，為基于纖維及織物的信號傳感與分析、能源收集與轉化、環(huán)境監(jiān)測與調控等提供新思路，在人體健康管理、環(huán)境信息監(jiān)測、設備智能蒙皮、地學信息探測等多研究領域提供可靠解決方案。