纺织品(Textiles)是我们日常生活的基本材料。在可穿戴电子产品领域，新兴的智能电子织物（电子织物e-textiles）源于人们对更多功能性和人机兼容性的追求。通过增强纺织品的电子功能，电子织物开辟了人类可穿戴平台的新前沿领域。其中，材料创新可助力于用户体验和可持续经济发展，为可穿戴电子织物领域的发展带来变革性影响，
近日，英国剑桥大学（University of Cambridge）的HaoTian Harvey Shi, Yan Yan Shery Huang等研究者，在Nature Materials上发文，创新性的提出了一种“4R原则”的新型电子织物设计准则，涉及修复(Repair)，回收(Recycle)，更换(Replacement)和消减（Reduction）等方面。此外，本文还提出了系统性的设计框架，通过材料选择和生物制造的平台，统筹考虑了环境保护、市场竞争力、供应链弹性和用户体验质量等诸多因素。这种新型的设计准则，为未来电子纺织产品的可持续工业化和商业化建立了一套可操作的标杆。
自远古时期以来，人类就开始为了保暖和保护身体而穿着纺织物，这些纺织物可以被视为最早期的人类自我保护和实现生存繁衍的手段之一。随着现代柔性电子技术和云计算技术的不断进步，新兴纺织物的出现有望带来改善健康性和佩戴舒适性的新功能，例如可以存储和收集能量，并实现感知、显示、运动和计算等多重功能。
预计到2030年，新兴电子织物的全球市场规模将达到14亿美元。当前，还有两项重大问题亟待解决。一是产品生产的复杂性，当前产品各组件的交叉兼容性有限，使用寿命短和供应链不足等因素都导致了电子织物的成本，从而抑制了相关推广采用；二是电子织物的大规模生产可能带来高昂的环境成本。随着用户普及率的提高和各种新纳米材料的应用，全球生态环境的负担可能急剧增加，并加剧电子织物供应链和商业化的挑战。在迈向可扩展商业化的道路上，我们建议对于电子织物可以围绕材料选择和受生物制造技术进行创新，以实现可持续增长。如图1所示，这篇展望文章提出了一个基于“4R”原则的宏观架构，从修复(Repair)，回收(Recycle)，更换(Replacement)和消减（Reduction）等方面，在解决“来源问题”和“资源问题”的同时,兼顾经济效益和环保需求。
Figure 1 电子织物e-textiles可扩展商业化的总体框架。
遵循4R原则的电子织物设计理念
1) Repair维修: 对于准永久性的电子织物的使用，在其组件“纤维水平”上的有效维修可能涉及到重新缝纫、重新编织、重新编织和自我修复的电子纤维，而批量的“织物级”维修可以利用其他活性材料的重涂、重印和再喷涂等方法。在修复中，必须确保电子纺织材料的机械坚固性和多功能性等。
2) Recycle循环: 在短期条件下，电子织物组件通过有效的分类和分离，可以分别进入基础纺织品模块和电子产品模块，并作为普通服装和电子产品回收利用。
3) Replacement替代: 替代的概念侧重于使用可再生的、地球上储量丰富不稀缺的材料，甚至是具备亲生物性的混合物，以期最大限度地减少对环境的影响；例如羊毛、丝绸、纤维素、亚麻的提取物，可以为电子织物生产提供可再生的纤维平台。由于生物质衍生的纤维不表现出固有的电子功能，我们可引入微纳结构活性涂层等技术实现其电子功能化。
4) Reduction消减: 消减可以通过两种方式来解释：第一，减少电子织物生产过程中的总体排放和能源消耗;第二，减少使用的材料总量，特别是当上述维修、循环和替代策略可能涉及耗能密集型工艺的条件下。
Figure 2电子织物的材料选择图表及其耐用性挑战。
遵循4R原则的电子织物的材料考虑因素
电子织物通常是靠近或贴皮肤表面穿着;因此，“材料-皮肤”的兼容性是一个基本的设计标准。皮肤刺激和过敏反应可能与纺织品纤维的尺寸形状，以及上面的化学加工残留物相关。此外，除去直接皮肤接触，疏松的纳米颗粒（作为磨损碎屑），由于其大小和官能团组成，可能会穿透皮肤或对人体健康产生其他不利影响。因此，用具备生物兼容性的替代品替代合成纤维和功能性微纳颗粒是一个重要选项。与传统织物一样，纤维材料是电子织物的基础构建模块，通过分层级组装功能性纤维和纺线，实现织物或服装的编织。图2a总结了电子织物中一系列常用的导电纤维和纺线的有效电导率性能（σ/ρ，其中σ是直流电导率，ρ是密度）与表观杨氏模量间的对应关系。
电子织物在清洗时的耐久性（图2b）是阻碍消费者购买使用的主要障碍之一。一般来说，传统织物在使用洗衣机清洗时，可能会释放出多达每公斤120000个的微塑料纤维粒；因此在电子织物中加入功能性添加剂也会加剧水中微塑料的污染问题。在洗衣机机洗时，包括吸水（亲水材料膨胀），剪切力（磨损和断链），表面活性剂结合（颗粒插层或分散）和腐蚀（氧化）在内的一系列过程，会带来分子内键和分子间键的干扰，进而导致电子织物内电路的退化和微塑料纤维的释放。因此，除了开发可机洗的新型粘合剂和涂料，还可以考虑采用诸如瞬态解耦/一次性使用的组件，或设计“干洗”/“蒸汽洗”的清洁方案，来加强电子织物的功能寿命，同时尽量减少微颗粒的释放。
Figure 3 电子织物的修理、回收、更换和消减repair, recycle, replacement, and reduction，4R实施和可持续性发展时间表。
实现4R准则下的的电子织物构建
如图3所示，构建4R原则下的电子织物基于以下三个主要方面：（1）电子织物组件的功能可靠性以及可持久性;（2） 电子织物组件的标准化和交叉兼容性;和（3）通过提供价格合理的产品和服务实现可观的经济效益。我们建议解构分析电子织物的各部组件，并将其归纳为被动织物基底（“布料”）和功能化/本地化的模块网络。织物基底构建出整体的机械结构，对用户提供主体的感官体验；功能化/本地化的模块网络则负责提供电力、连结和其他智能化功能。这两者进一步通过专门研发的制造技术实现合并和组装。
由于电子织物上的组件在材料和功能上的多样性，它们的使用寿命也会有相应差异。如图3a所示，织物基底和模块可以按三个等级进行排序：准永久型、多次使用型和一次性使用型。准永久性组件在出现可观察到的功能故障之前不影响用户体验，其寿命通常约为 1 年；多次使用性组件似乎保持了它们的功能，但其定量精度、灵敏度或功率可能已经下降，因此修复或当性能低于基准时需要更换标准，它们的寿命可能从几周到几个月不等；一次性使用型组件虽是短期耗材，但每次使用后，但可以根据需要进行维修和更换。如图3b所示，基于功能可靠性等级和当前技术储备，我们进一步提出了集成4R准则的电子织物领域的发展时间表。
当前战略和展望
无论是对于普通爱好者还是高级产品设计师，基于4R准则的设计策略已经可以被用于手工织品或实验性的自动化工具中。模块化构建的新型电子织物还可以根据功能性的不同，辅助归纳可回收利用的材料，包括显示器，传感器、电池等，并可以将它们重复利用。如图4，当前的模块化产品链也意味着传统纺织品和电子产品的供应链也可以通过较容易的改造升级，投入于新兴电子织物的制造中去。
Figure 4 在新兴电子织物发展中涌现出的不同生产规模和灵活性的新兴材料制造商和生物制造技术。
为加速实现可穿戴电子技术的革命性突破，遵循“可持续”和“以用户为中心”原则设计的新型电子织物，应在功能材料创新与先进加工技术之间寻求契合点。展望未来，具备优秀生物兼容性和克大规模生产条件的的材料，将占据电子织物领域的核心位置。除此之外，未来的可穿戴电子织物技术演进，也可能从大规模集中式量产，到实现基于增材制造/3D打印平台的小规模定制化生产。它将突破传统的生产限制，生产高度个性化匹配的的电子织物。这还可以进一步扩展到个性化选定织物原材料和制造策略，实现织物原位修复以及其他近似生物韧性的机能。依此发展的未来智能式可穿戴织物，将可以有效兼顾可持续发展目标和生态关切，并助力于循环经济。
来源：作者供稿
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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