智能纺织品正面临功能性与可穿戴性之间的固有矛盾。传统可穿戴显示器往往依赖刚性电子元件和复杂电路，这不仅影响穿着舒适性和柔性，还会降低织物的透气性。目前报道的发光纤维通常需要双电极结构，存在电极暴露风险和安全隐忧；而颜色响应型纤维虽然结构简单，但其显示质量和响应速度受到材料本身性质的限制。这一关键缺口凸显了对于材料层面创新的迫切需求——将无缝交互与纺织品固有属性融为一体。

针对这一挑战，清华大学张莹莹教授团队提出了一种名为TouchLumi的触致发光纤维。这是一种柔性、可穿戴、无需芯片的纤维，通过电容耦合实现实时、触摸触发的高亮度发光，无需电路即可完成交互。该纤维采用芯-壳结构，包含导电芯层、高介电常数中间层和外层电致发光层。当人体接触电致发光层时，通过界面接触电容形成电容回路，完成电路并激活发光。这种设计使纤维既能作为发光元件，又能作为触觉传感器，机械触摸直接转换为光信号，从而建立感知-反馈闭环。相关论文以“Closed-loop tactile-visual interactivity via chip-free luminescent fibers enabled by capacitive coupling”为题，发表在Science Advances上，并登上Science网站头条。

TouchLumi纤维的结构设计精妙。其芯层为导电纱线，中间为介电层，外层为电致发光层。介电层采用聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）作为基体，并均匀分散钛酸钡（BaTiO₃）纳米颗粒，实现了比电致发光层更高的相对介电常数。这种设计不仅提高了亮度，还防止了电致发光层的击穿。研究团队通过系统实验发现，减小层厚度可提高亮度，而PVDF-HFP相比常用的SBS聚合物具有更高的相对介电常数。模拟结果表明，当介电层更薄、相对介电常数更高时，其电势梯度较低，从而使相邻电致发光层获得更高的电势梯度，在低驱动电压下即可产生强电场，实现电致发光。经过优化，TouchLumi纤维的介电层厚度约为200微米，总直径约360微米，在发光性能、机械稳定性和纺织可加工性之间取得了最佳平衡。

图1. TouchLumi纤维的设计与工作机制。 （A） TouchLumi纤维的电路模型与工作机理。 （B） 常规交互式发光系统与TouchLumi纤维的对比示意图。 （C） TouchLumi纤维在金属镊子触发下的点发光照片。 （D） TouchLumi纤维在湿手指接触下的连续发光照片。 （E） TouchLumi纤维选择性显示预设“SOS”图案的照片。 

图2. TouchLumi纤维介电层和发光层的结构及材料优化。 （A） TouchLumi纤维横截面的扫描电子显微镜图像。EL，电致发光层；DL，介电层。 （B） 单根TouchLumi纤维电致发光机理示意图。CB，导带；VB，价带。 （C） 介电层和电致发光层厚度对TouchLumi纤维亮度的影响。 （D） TouchLumi纤维所用材料的相对介电常数。 （E） 利用有效介质理论、互易模型和Maxwell-Garnett模型对不同TouchLumi纤维介电层复合材料的有效相对介电常数进行计算。 （F和G） 不同介电层厚度TouchLumi纤维的电势模拟：（F）大厚度；（G）小厚度。 （H和I） 不同介电层相对介电常数TouchLumi纤维的电势模拟：（H）小介电常数；（I）大介电常数。 

TouchLumi纤维实现了连续化生产，生产速度可达60米/小时。纤维具有53.2兆帕的机械强度和360微米的细度，可通过机器刺绣或机织进行加工。经过50次标准洗涤测试，纤维的亮度在前10次循环中下降至原始值的约60%，此后保持稳定，显示出良好的耐洗性。此外，通过掺杂不同浓度的ZnS:Cu²⁺发光材料，纤维可呈现深蓝色和青色等不同发光颜色，发射光谱峰值分别位于450纳米和456纳米，色度坐标落在CIE 1931色度图的蓝色和青色区域，展示了材料设计的可调性。

图3. TouchLumi纤维的连续制备、编织、洗涤及发光颜色评估。 （A） TouchLumi纤维的连续制备过程。 （B） TouchLumi纤维的力学性能。 （C） TouchLumi纤维与商用纺织品集成的数字刺绣。 （D） TouchLumi纤维在织机上的大面积机织（0.1米×0.4米）。 （E） 评估TouchLumi纤维亮度的洗涤测试。 （F） TouchLumi纤维不同颜色的线发光照片。 （G） 不同发光颜色TouchLumi纤维的发光光谱。Norm，归一化。 （H） 显示TouchLumi纤维不同发光颜色的CIE 1931色度图。 

TouchLumi纤维展现出优异的响应性能。在干燥条件下，空间分辨率高达约100微米，且在弯曲或拉伸20%时保持稳定；在潮湿条件下，分辨率约为970微米。系统能够检测到约200微米的精细接触，且串扰可忽略不计。基于电致发光的快速动力学特性，纤维在干燥条件下的激活/衰减时间分别为707微秒和720微秒，在潮湿条件下分别为837微秒和867微秒，比其他发光材料快约1000倍。这些特性确保了在不同环境条件下可靠的实时交互。

图4. TouchLumi纤维的发光空间分辨率和响应速度。 （A） 干燥条件下的空间分辨率，显示金属镊子尖端触发的两个不同发光点在间距减小至0.102毫米时仍可分辨。 （B） 潮湿条件下的空间分辨率。分辨极限增加至约1毫米（在0.970毫米处合并）。 （C） 空间灵敏度评估，显示直径0.208毫米的细探针激发的局部发光。 （D和E） 时间分辨光电压响应曲线，显示干燥条件下和潮湿条件下的激活时间和衰减时间。 （F） 沿纤维长度的灰度值强度分布，比较干燥和潮湿条件下的信号分布。 

基于这些优异性能，TouchLumi纺织品实现了多种动态交互功能。它支持高精度触摸轨迹跟踪和多点同时激活。通过湿指尖接触，可实现对预定义图案的选择性照明，无需复杂电路。在纤维表面涂覆银纳米线透明导电层后，干手指也可实现类似功能。将纺织品浸入水中后，通过人体电容耦合可实现无触摸图案激活。研究团队进一步设计了一款基于TouchLumi纤维的键盘纺织品。用户触摸26个字母进行信息输入，纤维的光信号实现信息的输出显示，字母可组合实现实时信息输入与输出，完成复杂信息传递——这代表了向具身化人-织物界面的范式转变。该技术有望为失语症患者、神经退行性疾病患者和术后康复人群提供直观的视觉交流方式，无需精细肌肉控制或复杂设备操作。

图5. TouchLumi纺织品的动态显示与交互能力。 （A） TouchLumi纺织品的运动轨迹显示。 （B） TouchLumi纺织品的多点显示和交替发光模式（湿指尖触摸）。 （C至E） TouchLumi纤维制成纺织品图案的选择性显示：（C）无银纳米线，湿手指触摸；（D）有银纳米线，干手指触摸；（E）有银纳米线，湿手指触摸。 （F） TouchLumi纤维制成的键盘纺织品的信息输入与输出。

TouchLumi纤维通过电容耦合建立了交互纺织品的新范式，在单一可穿戴平台内实现了无需芯片的实时触觉-视觉交互。与传统主要用作显示的发光纤维不同，TouchLumi纤维同时作为触觉传感器和视觉反馈设备，将机械触觉信号直接转换为可感知的光信号。其单电极结构消除了外部电路、传感器或暴露导体，提高了用户安全性、耐洗性和兼容性。纤维可在两节1.5伏干电池驱动下工作，具有约360微米的细直径、约53兆帕的机械强度。未来，与人工智能增强信号识别相结合，TouchLumi纤维有望拓展至健康监测、环境感知和人机交互等领域，为智能纺织品带来变革性潜力。

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