智能电子织物融合了电子工程与纺织工程领域的前沿技术成果，为人们提供更加智能化和便捷的生活体验。当前报道的大量智能电子织物中，许多都采用纤维交错（Fiber Crossbar，以下用“FC”指代）结构作为其基本单元。这种结构由两根纤维交叉构成，并在交错点处构成某种电子器件（图1）。当外部刺激（如电流）通过时，纤维交错点的某些特性（如电阻、电容）会发生变化，从而对外部刺激做出响应。FC结构是实现智能可穿戴衣物的有力支撑。首先，与集成电路架构相似，FC能够以点阵的形式，在面料的各个交错点之上布置数量庞大的器件，不仅节省了器件所占用的空间，更为整片面料赋予更为复杂的功能。其次，在FC结构中，相邻的器件之间能够相互协作，实现更为多样化的功能，使每根纤维不再孤立。这种紧密的结构可以将传感、运算、显示、供能等多种功能融合在一起。 

　　　　图1. 纤维交错结构的基本模型 

　　为了全面梳理FC结构的范式与进展，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所轻量化实验室张其冲项目研究员等与南洋理工大学魏磊副教授团队、中国科学院深圳先进技术研究院陈明副研究员合作在国际材料科学领域顶尖期刊Advanced Materials上发表了题为 Fiber crossbars: an emerging architecture of smart electronic textiles的综述文章，全面介绍了智能织物中的FC结构的器件设计、材料选用、制造技术与应用进展。此外，还讨论了纤维交错结构在当前面临的瓶颈挑战和未来的发展趋势。 

　　器件是实现一切功能的核心元素。一个FC结构即是一个功能器件，而多个FC结构可以组成更大的阵列，实现更为复杂的模块化功能。如图2所示，该综述首先讨论了基于FC的器件的工作机理、结构设计与材料选用，具体包括基于FC的电阻器（FC-based resistors）、电容器（FC-based capacitors）、纳米发电机 (FC-based nanogenerators) 、忆阻器（FC-based memristors）、晶体管 (FC-based transistors) 、发光器件（FC-based lighting devices）和能量器件（FC-based energy devices）。本篇综述详尽分析了主要文献中报道的FC器件在可穿戴电子领域的主要应用案例。FC器件的主要应用可分为四大类功能：传感、运算、显示、供能。在传感方面，电阻、电容和纳米发电机等感应元件被广泛应用于可穿戴运动监测和位姿监测，为用户提供精准的数据和指导；在运算方面，忆阻器和晶体管等计算元件被用于执行二进制存储、布尔逻辑运算和基于神经形态运算的模式识别，为可穿戴电子设备提供强大的计算能力；在显示方面，各类发光器件被用作基本阵列单元，实现了对基本字母和语句的准确显示；在供能方面，各类超级电容器和太阳能电池被用作获取能量的主要途径，实现了可观的能量收集和转化能力。 

　　　　图2. 纤维交错器件的结构设计与机理 

　　随着研究的不断推进，FC结构在未来的发展前景十分可观，有望重新塑造医疗护理、人际通讯乃至商用服装等领域的人因设计思路。尽管FC器件具有巨大的潜力，然而综述认为，当前纤维交错器件仍然面临着一些挑战（详见图3）。 

　　其中，挑战一是功能集成度不足。目前FC器件的功能仅限于传感、运算、显示和供能等基本功能，而控制和信号交互等重要功能的集成度较低。此外，各类功能还未能有机统一、相互辅助，导致当前的FC系统还处于探索阶段，难以满足复杂应用的需求，离商业化还有很长的路要走。 

　　挑战二是智能化水平低。由于集成度不足的问题，FC系统的智能化程度有限。虽然已经实现了数据存储、逻辑运算和神经形态运算的功能，但这些功能仍然比较原始，只能满足简单逻辑（例如“与/或”运算）和小数据量条件下的运算。增加FC传感与运算元件的数量和密度是实现更大规模数据采集和更精准的织物运算的前提条件。 

　　挑战三是材料的生物相容性有待提高。一些FC器件所使用的材料价格较高，而且一些材料（例如重金属、无机物）具有生物毒性，可能会在长期穿戴条件下出现泄漏，从而对人体构成安全隐患。因此，需要进一步研究材料的安全性能，以确保FC器件的市场准入性。 

　　挑战四是缺乏成熟的评价指标体系。由于FC器件是一种新型的电子器件，目前还没有建立统一的评价指标体系。不同的研究人员在不同的实验环境下使用不同的实验参数，得出的实验结果差异较大，这些结果难以比较，很难衡量各自的优势劣势，也使得对于各类新报道的FC器件的评估变得更加困难。因此，需要建立统一的评价指标体系，以便更好地评估FC器件的性能和功能。 

　　　　图3. 纤维交错器件的面临的挑战 

　　过去几十年，传统的电子设备逐渐演变为可穿戴的智能设备，并进一步分化出可穿戴的智能织物设备。开发功能性纤维以取代传统的纱线和棉线，进而开发“将功能融入织物”的纤维交错器件，对可穿戴产品的发展具有重要的意义。FC器件已被广泛应用于传感、运算、显示和供能等基本功能，并在医疗护理、人际通讯、商用服装等领域展现出广阔的应用前景。然而，当前FC器件在功能集成度、智能化水平、材料生物相容性和评价指标体系等方面仍面临着诸多挑战。因此，需要进一步深入研究FC器件的技术及其应用场景，并积极解决存在的问题，以推动FC器件的商业化进程，并为人类社会的发展带来更大的贡献。 

　　南洋理工大学博士生周旭辉是该论文的第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院陈明副研究员、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲项目研究员和南洋理工大学魏磊副教授等为本文的通讯作者。该论文工作获得了中国科学院“率先行动”引才计划等项目资助。  

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