这位材料科学家正在探索创造功能性纤维，这可能会改变纺织品的未来

在麻省理工学院一个杂乱的地下实验室里，Jung Tae Lee 正试图制造一种像钓鱼线一样又长又细的电池。这位研究生研究员凝视着，调整着一台巨大的蓝色机器上的旋钮，这台机器用于加热和拉伸纤维。“在制作活性纤维之前必须稳定下来，”他喃喃自语。

Benjamin Grena 更加健谈。这位研究生解释说，这台几乎是他人两倍高的蓝色机器是一台拉丝塔，是工业设备的一种定制版本，用于将玻璃棒挤压成光纤电缆。Lee 将通过拉长一个嵌入了电极并注入了电池液的聚合物粗圆柱体来制造他的设备。诀窍是在 Lee 加热和拉伸圆柱体时保持金属和液体对齐，直到其直径理想地只有原始尺寸的 1/200——这是拉制盐水太妃糖的一种高精度变体。“然后，”Grena 说，“你就会拥有一个可以与传感器和其他功能性纤维编织在一起的电源。”

这些由此产生的电子纺织品可以作为服装穿着，植入体内，或者覆盖在城市中。对于 Yoel Fink——Grena 和 Lee 在麻省理工学院的导师和主管，以及这些高科技线材背后的主脑——这些纺织品代表着人类文明的一个转折点。“自石器时代晚期以来，织物一直保持着不变，”Fink 说。“那是因为它们是由单一材料制成的纤维，只要你用单一材料制造纤维，它们就不会具备高度功能性。”

通过一种能够将聚合物、金属和流体等各种材料整合到纤维中，并控制这些材料内部排列的方法，Fink 预见了织物的巨大新可能性。鉴于纺织品在当今世界的普遍性，他相信他正在研究的纤维将极大地增强整个技术。

Fink 的愿景吸引了麻省理工学院地下实验室之外的广泛关注。2016 年，他创立了一个名为“美国先进功能性织物”（AFFOA）的研究所，这是一个公私合作的联盟，由二十多家主要研究机构组成，包括费城的德雷克塞尔大学和匹兹堡的卡内基梅隆大学。该联盟还包括特斯拉和康宁等有影响力的科技公司，以及美国国防部。

作为首席执行官，Fink 掌管着总计 3.17 亿美元的预算，他打算用这笔预算创建一个“分布式铸造厂”——一个拥有广阔专业知识的机构网络，可以高效地将纤维创新从疯狂的实验室实验推向消费产品。他已经建立了一个占地 2 万平方英尺的原型制造设施，该设施于去年 6 月在波士顿地区开始运营。

传统的纺织工业远非抵制芬克的千年纺织和编织冲击，而是一个坚定的盟友。“我一生都在和纺织人打交道，我从未听过有人谈论将电子产品放入纺织品中，”南卡罗来纳州的纱线纺织和面料编织公司 Inman Mills 的总裁 Norman Chapman 说。Inman 与 Milliken 和 Warwick Mills 等其他行业支柱一起，热情地加入了 AFFOA。

在革命的狂热中，只有 Fink 的学生们似乎处变不惊。纤维拉伸不能操之过急。当他的电池成形时，Lee 稳稳地把握着未来。

完美的镜子

芬克坐在他宽敞的麻省理工学院办公室里，抱着一顶用迷彩图案布料包裹的军用头盔。“你看到这些金色的纤维了吗？”他问道，指着一些几乎看不见的金属线。“这是几年前在纳蒂克生产的。”

他指的是美国陆军士兵研究、开发和工程中心，这是一个早期合作者，帮助他证明了功能性纤维可以编织到标准装备中。最终，陆军感兴趣的是通过开发具有特殊光学特性、能响应激光瞄准器的线材，来防止战场上的友军误伤。芬克和他的合作者通过将具有不同反射特性的细丝编织成一种格子图案来解决这个问题，这种图案可以通过战友的激光瞄准器立即看到。这是一个明确的不要射击的信号。

这个项目不仅是芬克的一项专业前景。拯救战斗中的生命是他个人的目标。他两岁时，虔诚的家庭从美国移民到以色列。他的父母为他报名参加了神学训练，但他十几岁时辍学参军。“那是 1984 年到 87 年，”他说，那段时期以色列正在被占领土上建立定居点，冲突激烈。“非常紧张，很多人受伤和死亡，”他说。“你会看到你总是离犯错有多近。”芬克不仅亲眼目睹了他自己部队中的自相残杀，而且一次类似的事件夺走了他表弟的生命。

服役三年后，他的反应是逃离。他背着背包生活，去过菲律宾、尼泊尔和美国等地。但他的父亲另有打算，把他送进了以色列理工学院，让他学习化学工程。“这对我来说很平淡，”芬克回忆道。为了让自己保持兴趣，他还学习了物理。

这种结合是偶然的。“化学工程与流体处理有关，”他解释道。如今，他将这些原理应用于利用光学和电子设备构建物理系统。

这并不是芬克在 1995 年从麻省理工学院博士项目毕业时显而易见的。他攻读材料科学，四处寻找研究项目，采访了几十位教授，涵盖了广泛的领域。其中一位是内德·托马斯 (Ned Thomas)，一位材料科学家，他参与了一个为美国国防高级研究计划局 (DARPA) 秘密进行的数百万美元项目，旨在创建一个可以从任何方向反射光的机制。

托马斯邀请芬克参加一个会议，麻省理工学院的科学家将在会上讨论解决这个问题的计划。芬克在准备时，开始研究介电材料——用于制造高精度镜子的绝缘体和半导体分层——一个非常简单的问题突然出现在他脑海中。“我从我的光学研究中知道，分层系统会反射，但角度是有限的，”他说。他找不到这条经验法则的理论基础。所以在会议上，他天真地问是否有人知道一个公式来确定多层介电材料停止反射的角度。“我确信他们中会有人说，‘我下学期会开设这门光学课程，’”芬克回忆道。“但房间里一片寂静。”

他立刻开始着手解决这个问题，经过数周的分析，他发现并没有物理极限。通过分层正确厚度的某些介电材料，他可以制造出一面能从任何角度反射光的镜子——一面完美的镜子。物理学界为之震惊。《纽约时报》称这项发现可能是“自纳西索斯以来镜子技术最重大的进展”。

但那时，DARPA 因其预期的军事应用一样神秘的原因而放弃了该项目。芬克决定继续研究这个想法，希望将他的镜子扩展到电信领域，作为光纤电缆的高效替代品。传统光纤受到其材料的限制，因为它们不能完美地反射内部光波：光缆会逐渐吸收穿过它的光子，从而削弱信号。芬克的计划是制造一个中空管，其多层介电壁能够完美反射穿过的光。

“我实际上需要四处打听纤维是如何制作的，”他承认。但他成功获得了博士学位，并于 2000 年转为麻省理工学院初级教员，这让他有自由获得一台小型拉丝塔，并与几位研究生一起开始实验。他不知道自己正在打破最基本的行业规则。在芬克出现之前，所有人都认为任何用于制作细丝的材料都需要具有匹配的粘度、热性能和其他特性才能一起挤出；您还需要在低张力和高温下进行拉伸。通过反复试验，芬克摸索出了如何在高张力和低温下进行拉伸。而芬克称之为“全方位导波”（OmniGuide）的发明，成为了他的第一种功能性纤维。

然而，电信领域还没有为一场革命做好准备。2000年代初期，这个行业正在萎缩，廉价光纤供过于求。于是，芬克与人合伙创办了一家公司，将“全方位导光”应用于医疗领域。“我们制造了一种用于微创手术的手术刀，”他说。

这种无刃工具利用二氧化碳激光的强光切割软组织。二氧化碳波长非常适合手术，因为脂肪和肌肉中的水能有效吸收它，便于切割。医生们长期以来一直偏爱二氧化碳激光，用于在金属工具会碍手碍脚的狭小空间进行手术。

在芬克参与之前，二氧化碳激光手术费力。由于玻璃不能传输二氧化碳波长的光，外科医生无法使用传统光纤引导激光束；相反，他们不得不费力而精确地将整个笨重的激光装置瞄准病人，才能击中正确的位置，而且他们只能切割激光视线范围内的组织。然而，有了灵活的全向导管，激光束就在医生的指尖，外科医生可以精确地将光束引导到需要的地方。芬克的发明现已用于超过 20 万例手术，其中许多是治疗晚期喉癌的。

它也成为了芬克后续工程方法的一个典范，这种方法将实验的开放性与跨学科的广度相结合，将纤维技术拓展到他所遇到的每一个领域。“他富有远见，他叛逆，而且他在科学上无比勇敢，”麻省理工学院材料科学与工程教授、频繁合作者 Polina Anikeeva 观察道。“他毫不畏惧地追逐大问题。”

芬克的不懈努力极大地增加了高科技纤维的用途。他还发现，他制造这类纤维的许多技术都可以用来制造电子产品。他的光学器件已经使用了半导体和绝缘体。随着金属作为导体的加入，他意识到他将拥有电子电路和计算机的三个基本元件。

Fink 的想法很快引起了学术期刊《自然材料》的兴趣。该刊物委托他撰写了一篇评论，于 2007 年发表，内容是关于能够“看、听、感知和交流”的纤维。

“没什么好评论的，”Fink 评论道。

他的编辑早有准备：“让我们展望未来。”

超越可穿戴设备

在离芬克的拉丝塔几经周折的地下实验室里，另一位博士后团队成员图拉尔·库迪耶夫 (Tural Khudiyev) 正在轻柔地引导一根纤维发出歌声。他将金属导体暴露在纤维的一端，并将其连接到高压放大器上。他用夹钳夹住细丝的尖端，打开放大器，捂住耳朵。线绳轻轻地嗡嗡作响。

“这，” Khudiyev 说，“是压电效应。它将电信号转换为声音。反之亦然。这种纤维也可以作为麦克风。”

自 1880 年以来，科学家们就了解压电效应，并利用这种现象在电子领域应用了一个世纪，不仅用于声音，还用于施加和检测压力。通过将压电性引入可以编织成服装的线材中，芬克的团队将百年创新移植到了一个新的领域，赋予织物以前只能通过人们佩戴或携带的设备才能实现的功能。这些设备，例如健康和健身可穿戴设备，受到它们是配件的限制。“我们穿的东西叫‘衣服’，”芬克俏皮地说。

他认为这不仅仅是一个微不足道的区别。我们的衣服有高达 20 平方英尺的外表面积，几乎接触身体的每个部位。这意味着压电纺织品有可能以前所未有的保真度聆听我们周围的环境，感知我们的运动，并监测我们的心脏和肺等内部器官。它甚至可以在我们行走时发电。

压电性只是芬克实验室系统掌握的众多电子能力之一。芬克的前研究生、现 AFFOA 高级产品工程师 Michael Rein 一直在拉制含有微小二极管的纤维，这些半导体可以交替发射或检测光线。编织成织物后，它们将能够通过电子方式改变服装的外观或实现远程通信。在 Rein 的论文工作中，他证明了这些功能性纤维是可洗的——这是从实验室走向市场的重要里程碑。

与任何电子产品一样，多个组件能够共同完成更多工作。例如，通过将 Rein 的二极管光纤与 Khudiyev 的压电器件结合起来，“您就可以远距离通信，”Fink 的研究生 Grena 观察到。二极管可以检测声控激光束，使压电织物振动，这样士兵就可以在混乱的战场上听到指挥官的命令。反之，压电光纤测量的生命体征可以通过受伤士兵制服上的发光二极管（LED）中继给医务人员。Grena 还预见到了规模方面的优势，特别是对于传感器网络。纤维电子设备可以拉伸得非常细，覆盖广阔的距离。压电网格可以进行大规模测量，例如桥梁应变或洋流。

在另一个极端，Anikeeva 正在将 Fink 的纤维拉伸技术应用于神经科学。她的柔性细丝利用了纤维拉伸所带来的微型化优势，将光波导与导电电极和流体通道相结合，创造出比人发还细的探针。一根探针可以在不损伤组织的情况下，在大脑或脊髓中输送药物和测量神经活动。它甚至可以刺激那些经过基因改造以响应光的神经元，使其成为新兴的光遗传学领域中强大而多功能的工具。“纤维拉伸过程，”Anikeeva 说，“是实现这一功能的关键能力。”

弥补差距

在麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室，芬克展示了 AFFOA 开发的一些首批产品。他展示了背包，其织物中编织了独特的条形码图案；普通的 iPhone 摄像头可以从房间的另一端扫描背包，通过佩戴者可以通过手机启用和使用的程序，调出信息，比如一句引文或一首歌曲。他还展示了编织了二极管的棒球帽，这些二极管可以感应头顶灯光的信号。这些信号通过比我们眼睛感知更快的速度闪烁灯光来发送——这个系统可以帮助未来的佩戴者在医院和机场等令人迷失方向的建筑中导航。

在他的演讲接近尾声时，芬克展示了一张组织结构图，代表了他的导航棒球帽的设计和生产轨迹。来自麻省理工学院的技术专业线材可以在 AFFOA 进行建模和拉制。纺织品可以在南卡罗来纳州的 Inman Mills 纺纱。北卡罗来纳州的 AmeriCap 应该能够将这些纺织品组装成帽子。与照明系统的集成可以在 AFFOA 原型设施中进行，并与马萨诸塞州的 Analog Devices 合作。

“大多数大学的知识产权都束之高阁，”芬克解释说，“原因是研究结束与生产开始之间存在差距。”通过 AFFOA 及其对这些项目的方法，这一差距被消除了。

“功能性织物是我们时代最具跨学科性的领域之一，”岛精机高级技术实验室主任、德雷塞尔大学 AFFOA 负责人 Genevieve Dion 说。她和芬克在一场促成 AFFOA 的会议上相遇，AFFOA 受益于她的时尚背景。反过来，她也邀请了她的社会学同事加入。尽管芬克实验室产出的材料具有开创性，但迪翁认为它们的采用将取决于以人们喜欢的方式满足真正的人类需求，这些问题更适合由设计师和社会学家而非工程师来解决。“我们必须超越‘让我们制造 Google Glass。它会非常酷，每个人都会想要它’的思维，”她说。

对于 Dion 来说，开始使用功能性纤维和织物的明显领域是医疗保健，特别是对于需要持续监测和治疗的疾病患者。功能性织物不仅可以提供更好的支持，还可以消除因外观不同而产生的耻辱感。“当没有人能看出你戴着它们时，我们才能在可穿戴医疗设备方面取得成功，”她说。

芬克一如既往地将迪翁的愿景扩展到所有领域。他的谈话从 T 恤衫到尿布。“人们问，这种面料会是什么样子？”他说，“实际上它看起来不会有任何不同。但它会做更多的事情。”