印刷电路板(PCB)是现有集成电子电路(IC)技术的基础。因此，现有大多数柔性电子器件的制造都是采取在柔性基地上印制多层半导体功能材料，或者将小型元件安置在印有导电图案的柔性基底上。因此，柔性电子硬件最终都是以贴片的方式附着在人体上。近年来，纤维或织物结构的能量采储和传感元件因为可以实现像织物一样穿戴，非常符合人体习惯，从而受到广泛关注。但目前，这些柔性器件在组成集成电路时，大多还是沿用了PCB模块技术。

  重庆大学范兴教授所在团队联合中国科学院重庆绿色智能技术研究所张炜教授和哈佛大学Xingcai Zhang等团队，突破PCB工艺的限制，通过全编织的方法实现了一种用于生物医学和治疗诊断应用的非印刷型集成电路纺织品 (NIT)。其中，所有器件单元都是纤维结构，或者纤维电极交错的节点结构。它们完全通过编织的方式，组成了同时具有多信号传感、信号调制放大、逻辑判断、无线发送等系列电子功能集成的柔性功能织物。

图 1 非印刷集成电路纺织品的设计

  该织物中完全没有PCB电路板，却包括传感、逻辑判断、无线通信和电源等模块。首先，它通过三个纤维式传感器不断将人体运动、汗水和环境光信息转换为电信号，然后，这些信号由交织结构的晶体管元件构成的逻辑运算模块进行二进制编码，用于区分不同的紧急情况；接着，逻辑码或者传感数据可以通过纤维结构的红外发射单元甚至更复杂的频率调制或数字通信电路等，实现无线发送。

  其中，传感模块主要由纤维型汗液传感器、应变和光传感器编织而成，用于同时监测体液酸碱、人体运动及环境光等多种身体健康和环境信息。通过将汗液信息与身体运动和环境条件的分析结合起来，为有效的医疗诊断提供有用的信息。

图2 传感器模块的性能

  逻辑判断模块由纤维编织结构的晶体管构成。受益于电化学门控原理，交织结构的晶体管表现出优异的弯曲或拉伸鲁棒性。为了实现智能逻辑判断的功能，作者通过编织的方式，实现了与门、或门和与或门等逻辑运算电路，进而通过逻辑门的组合，成功识别了体液酸碱、人体运动及环境光等多信号组合中的异常特征，并且发送出具有正确逻辑判断的无线信号。

图3 逻辑运算模块的性能

  此外，该集成电子电路纺织品通过与织物结构的光伏发电器件和纤维型可充电Zn/MnO₂电池共同编织，解决了穿戴应用中的频繁充电难题。研究详细考察了电路在各种工作模式下的功率消耗情况。在此基础上，对充放电模块的串并联结构及管理进行了合理设计，从而形成可持续的光充电电源，实现了基于光充电的不间断供电解决方案。

  研究针对日常保健、糖尿病监测、或低血糖、代谢性碱中毒等紧急情况，模拟验证了该集成电子电路纺织品的应急报警功能。结果表明，其可以像一名全天候的私人人工智能“护士”那样，准确识别各种紧急情况，并根据白天或黑夜等不同场景，发出不同的报警逻辑码。该织物在未来AI健康等领域有着广泛用途，甚至可用于COVID-19患者护理。

图4 该织物用于无线监测及紧急情况的识别与区分报警

  传统纺织工业上，图案的形成并不只有打印这一种办法。纺织工业上，可以通过提花、印花、绣花等不同方式来形成各种各样的图案。相对于在织物上打印电路的方式，该研究采取的编织方式，更接近于提花及绣花，可以将集成电路中的器件功能单元构建缩小到单个编织节点上，有望大幅提高织物结构集成电路的元件密度。未来，这种织物结构的电路构建技术将与印制电路技术互为补充，从而真正打破电子行业和纺织行业的壁垒。非印制型的集成电子织物将成为未来重要的人体AI硬件，甚至有可能发展出全织物型的计算机或智能战衣。

  以上相关成果发表在Nature Communications（Nature Communications.2021,12,4876.）上。

  论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25075-8