纖維鏈接智能風(fēng)尚 素手織就紡織華章

20世紀(jì)90年代是香港制衣業(yè)的繁榮期，在港風(fēng)穿搭風(fēng)靡中國時，陶肖明從澳大利亞歸來，定居在這座中西交匯的時尚都市。學(xué)紡織工程出身的她到此的第一個課題便是將光纖與紡織復(fù)合材料相結(jié)合，立時走在了前沿尖端。此時，世界上還沒幾個人涉及這項工作。幾年后，她出版開拓性專著《智能纖維織物及服裝》和《穿著式電子及光子器件及系統(tǒng)》，纖纖素手“飛針穿線”，將傳統(tǒng)紡織行業(yè)與高科技、高附加值結(jié)合，令其煥發(fā)勃勃生機(jī)，一個嶄新的紡織研究領(lǐng)域呈現(xiàn)在世人眼前。

2021年，在智能紡織發(fā)展20余年的節(jié)點上，香港理工大學(xué)（以下簡稱“理大”）本著“開物成務(wù)”精神，應(yīng)“市”而動，建立智能可穿戴系統(tǒng)研究院。作為院長，陶肖明將從前林林總總的材料、器件、技術(shù)和理論成果整合，并在此基礎(chǔ)上高屋建瓴，從跨學(xué)科的系統(tǒng)研究出發(fā)，致力于打造人-機(jī)-環(huán)境交互的理想平臺，踏上新的智能紡織研究征程。如今，在來自物理、化學(xué)、材料、紡織與服裝、設(shè)計、電子、機(jī)械工程、康復(fù)醫(yī)療等不同學(xué)科超過200人團(tuán)隊的共同努力下，已形成智能可穿戴系統(tǒng)及其應(yīng)用、智能可穿戴系統(tǒng)集成與評估、柔性功能材料和柔性器件三大研究方向，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于個人防護(hù)、臨床醫(yī)療、公共衛(wèi)生等領(lǐng)域。

在陶肖明看來，作為一項新興的顛覆性技術(shù)，智能可穿戴技術(shù)將為傳統(tǒng)服裝和電子產(chǎn)業(yè)等帶來巨大影響。年過花甲，她懷揣迭代新產(chǎn)業(yè)、培養(yǎng)新人才的使命再出發(fā)，這位從淮左名都走向世界的女子，依舊勇敢如昔，從容淡雅。

“從0到1”，

把創(chuàng)新思維和能力融入血液

回顧科研生涯，執(zhí)著的精神在陶肖明的身上體現(xiàn)得淋漓盡致。但她總是自謙地表示：“我很幸運(yùn)，有機(jī)會一直在喜愛的領(lǐng)域里工作。能親眼看到這個領(lǐng)域成長壯大、被越來越多人重視，對世界發(fā)展有影響，是我的榮幸。因此，我不曾改換方向，全力投入其中。”

1977年，作為中國內(nèi)地恢復(fù)高考后的第一批考生，陶肖明學(xué)習(xí)的是與國計民生息息相關(guān)的紡織工程專業(yè)。當(dāng)她在中國華東紡織工學(xué)院（現(xiàn)東華大學(xué)）勤奮求學(xué)時，我國紡織工業(yè)也正以一日千里的速度飛快發(fā)展。從1978年到1982年，短短4年，我國纖維加工總量從276萬噸增至400萬噸。在這個對紡織工業(yè)生產(chǎn)力有巨大需求的時期，大學(xué)里的紡織工程專業(yè)自然也偏向機(jī)械工程應(yīng)用，這為陶肖明打下了扎實的機(jī)械工程底子。

本科畢業(yè)后，陶肖明獲得公派留學(xué)資格，遠(yuǎn)赴澳大利亞。在新南威爾士大學(xué)纖維科學(xué)與技術(shù)學(xué)系，她接觸到了另一個研究方向——紡織物理學(xué)。物理學(xué)的訓(xùn)練培養(yǎng)了陶肖明“從第一科學(xué)原理出發(fā)”的思維方法和跨學(xué)科研究模式。1987年獲得博士學(xué)位后，陶肖明輾轉(zhuǎn)于澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)工業(yè)研究組織的羊毛技術(shù)研究所、中國紡織大學(xué)、美國德雷塞爾大學(xué)纖維材料研究中心等地開展工作，在了解了國內(nèi)外的紡織工業(yè)整體情況，經(jīng)歷了中西方雙重文化的熏染后，她定居香港，執(zhí)教理大。

彼時，隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，國際一流高校的紡織學(xué)科紛紛退出。紡織作為一個逐漸沒落的行業(yè)，能吸引到的優(yōu)秀人才正大幅減少。目睹此境，陶肖明展開積極的嘗試和探索。為振興傳統(tǒng)紡織行業(yè)，她承擔(dān)了多個重要項目，取得多項發(fā)明專利，并將十余項發(fā)明技術(shù)專利授權(quán)給世界各地的公司用于工業(yè)生產(chǎn)。其中，歷時十余年研發(fā)成功的扭妥紗紡紗技術(shù)在全世界12個紗線生產(chǎn)企業(yè)使用，2005年到2013年，產(chǎn)出超過價值105億港元的新型紡織品和服裝。使用此技術(shù)生產(chǎn)的織物不僅性能優(yōu)良，且生產(chǎn)過程無廢水、廢氣和化學(xué)試劑排放，真正做到了高效、節(jié)能、環(huán)保。

另外，豐富的科研經(jīng)歷也讓陶肖明意識到，紡織科研不可僅局限于解決工業(yè)現(xiàn)存的問題，而必須具有“從0到1”的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，具備優(yōu)良的科學(xué)分析基礎(chǔ)，創(chuàng)造和引領(lǐng)學(xué)科前沿。因此，基于在復(fù)合材料領(lǐng)域的深厚積淀，她跟香港科技大學(xué)余同希教授共同提出多細(xì)胞紡織復(fù)合材料的概念，對設(shè)計的多款多細(xì)胞復(fù)合材料進(jìn)行研究，提出了沖擊塑性變形的力學(xué)模型。此外，面對備受關(guān)注的、通信容量和中繼距離成倍增長的光纖，她大膽地將之與紡織復(fù)合材料結(jié)合，展開智能光纖織物研究。由此，在勇敢創(chuàng)新的精神指引下，她踏入了尚處萌芽階段的智能紡織領(lǐng)域。之后，她設(shè)計、制作、分析了內(nèi)置纖維布拉格光柵傳感器的多胞狀機(jī)織復(fù)合材料；首次提出了光子纖維和紡織面料的概念；首創(chuàng)“可調(diào)色納米發(fā)光布”；首次實現(xiàn)可洗納米涂層織物電子傳感器的研發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn)；在世界范圍內(nèi)，促成了智能紡織的大力發(fā)展。

作為智能紡織的開拓者和領(lǐng)軍人物，陶肖明最大的貢獻(xiàn)就在于，將紡織這樣一個傳統(tǒng)行業(yè)與欣欣向榮的高科技、高附加值結(jié)合，將基礎(chǔ)工業(yè)研究與各種尖端科技融會，在智能紡織領(lǐng)域達(dá)到了新高度、新成就，領(lǐng)導(dǎo)行業(yè)進(jìn)入了新的發(fā)展里程。如今在美國哈佛大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院、英國劍橋大學(xué)等世界一流高校中，智能紡織的研究遍地開花。親歷這一領(lǐng)域從寥寥幾人到擁有上萬研究者，引來大量優(yōu)秀年輕人加入，從冷門變?yōu)闊衢T，讓年過花甲的陶肖明體會到“待到山花爛漫時，她在叢中笑”的無限欣慰。

助力“碳中和”，

致力能量轉(zhuǎn)換器研究

全世界的智能可穿戴系統(tǒng)研究歷史都不算長。在智能手機(jī)出現(xiàn)以前，可穿戴設(shè)備在影音娛樂領(lǐng)域經(jīng)歷了幾十年的初步摸索，隨著智能手機(jī)的出現(xiàn)，才逐步明晰了自身定位和發(fā)展路徑。今天，放眼市面，爆火的智能可穿戴產(chǎn)品大概就是智能手表、手環(huán)、耳機(jī)、眼鏡四大品類了，而在這些產(chǎn)品中尤為突出的功能便是健康監(jiān)測，以及指向運(yùn)動醫(yī)療的應(yīng)用。市場的趨向剛好契合了陶肖明的想法，她研究智能可穿戴系統(tǒng)的最終目標(biāo)正是“使人類更健康、更安全、更便利、更強(qiáng)大”。

紅磡灣的理大校園中，代表著工業(yè)的磚紅色建筑群錯落有致地分布其間，給了理大人務(wù)實的精神底色一個鮮明的象征。推開智能可穿戴系統(tǒng)研究院的大門，入眼便是一個個造型簡約的白色人體模型，仿佛即將走入服裝設(shè)計院?？膳c一般服裝設(shè)計院不同的是，這里的模特試穿的服飾，更準(zhǔn)確來說是集電子、信息、柔性機(jī)器、人工智能于一體的高科技產(chǎn)品。譬如，可洗電子紗線及織物電子系統(tǒng)，包括全彩織物顯示器、織物多頻道聽筒和揚(yáng)聲器、多軸應(yīng)變傳感織物、織物鍵盤和電路板等；可穿戴式呼吸監(jiān)測系統(tǒng)；改善帕金森患者活動能力的智能穿戴系統(tǒng)；快速運(yùn)動疲勞恢復(fù)系統(tǒng)；神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器；高精度快速體液檢測系統(tǒng)；車輛碰撞中人體實時壓力分布檢測系統(tǒng)；癌癥病人治療效果監(jiān)測分析系統(tǒng)；可穿戴供電裝置……這些產(chǎn)品具有共同的特點：一是實時進(jìn)行多種感知和執(zhí)行的功能；二是高智力；三是可持續(xù)能量供應(yīng)和自我修復(fù)；四是超自然的溝通能力；五是適合可穿戴的各項要求。

智能系統(tǒng)由傳感器、驅(qū)動器、控制和通信模塊、電路板和電源等組成。持續(xù)可靠的電力供應(yīng)是目前可穿戴系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸問題之一?！艾F(xiàn)在市面上的可穿戴產(chǎn)品往往采用充電模式。這種模式對年輕人來說沒什么，但對小孩、老人和病人卻存在可靠性不強(qiáng)的問題。從2015年起，我們團(tuán)隊便致力于相關(guān)能量轉(zhuǎn)換問題，歷時多年，對多種能量轉(zhuǎn)化原理及器件做了研究探索?！?/p>

其中，可穿戴能量收集器——離子凝膠濕氣發(fā)電機(jī)，便是陶肖明在轉(zhuǎn)化器領(lǐng)域新近的一項突破性成果。相關(guān)報道指出，濕氣發(fā)電機(jī)對于實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)及促進(jìn)社會綠色能源的可持續(xù)發(fā)展，尋找和開發(fā)簡單高效的綠色能源轉(zhuǎn)換技術(shù)具有重大意義，也可滿足與日俱增的電能需求。相比其他驅(qū)動方式，它利用大氣環(huán)境濕氣中的能量直接產(chǎn)生電能，不會衍生污染物及排放有害氣體。然而，目前大多數(shù)的濕氣發(fā)電機(jī)輸出間歇性的電信號和低電流阻礙了無處不在的水汽自發(fā)發(fā)電進(jìn)展和實際應(yīng)用。所以，在實現(xiàn)大規(guī)模集成和應(yīng)用上仍處于研究的瓶頸期。

為打破局限，陶肖明團(tuán)隊開發(fā)了一種高效、靈活及全天候適用的離子凝膠濕氣發(fā)電機(jī)。它能高效收集空氣中的水汽并直接轉(zhuǎn)換成電能，表現(xiàn)出色并且適用于廣泛的氣候環(huán)境（相對濕度10%到85%和溫度-24到60攝氏度的范圍）。而香港全年濕度處于40%到90%中，濕氣發(fā)電機(jī)為當(dāng)?shù)丶跋嗨频貐^(qū)提供了一個頗具前景的綠色能源。

離子凝膠作為發(fā)電材料，利用其吸濕能力和快速離子傳輸?shù)奶匦裕瑢崿F(xiàn)了高效的電流密度和能量產(chǎn)出。陶肖明團(tuán)隊開發(fā)的濕氣發(fā)電機(jī)設(shè)備不僅可以穩(wěn)定輸出直流電壓0.8V超過1000小時，還能產(chǎn)出高電流密度和突出的輸出功率密度。更重要的是，它能大規(guī)模地集成獲得210V的電能輸出，并成功為許多微電子設(shè)備供電，包括計數(shù)機(jī)、能量表帶、電子墨水屏、LED燈陣列。實踐表明，這種凝膠型的濕氣發(fā)電機(jī)制備工藝簡單，價格便宜，可實現(xiàn)柔性集成，在物聯(lián)網(wǎng)和自供電的可穿戴電子系統(tǒng)等領(lǐng)域具有普及的應(yīng)用前景。陶肖明表示，產(chǎn)品采用的是3D打印的生產(chǎn)方式，還有很多改進(jìn)空間。但可貴之處在于，這又是一次“從0到1”的創(chuàng)新突破，雖然要走較遠(yuǎn)的路，但在技術(shù)開發(fā)的同時，還能推進(jìn)科學(xué)問題研究，在理論上有好的成果，實在令人振奮。

需求導(dǎo)向，

產(chǎn)出浪漫織物與防護(hù)產(chǎn)品

作為長期專注智能紡織研究的科學(xué)家，陶肖明與其他研究智能可穿戴系統(tǒng)的學(xué)者相比，不僅將關(guān)注點放在挖掘更先進(jìn)的智能材料上，也同樣注重微電子芯片與紡織的一體化。她指出，實現(xiàn)一體化的紡織品電子功能會更全面、更穩(wěn)定可控，還可以直接與互聯(lián)網(wǎng)相連。如此，便繞過先進(jìn)行材料研發(fā)，再做成織物，最后還要想方設(shè)法將織物與電子器件、數(shù)據(jù)處理采集器匹配等的復(fù)雜步驟了?！斑^去十多年，國外一些研究機(jī)構(gòu)在這方面進(jìn)行了研究，但成效不盡如人意。在這樣的背景下，我們接過了這一重?fù)?dān)?！?/p>

芯片尺寸微乎其微，厚度纖若發(fā)絲。為將微電子芯片放入織物中，陶肖明團(tuán)隊通過改造現(xiàn)有微電子封裝和紡織工業(yè)裝備，優(yōu)化電子紡織一條龍工藝路線、參數(shù)和材料，最終研發(fā)出一種電子紗線。電子紗線的直徑小于1毫米，彎曲剛度是傳統(tǒng)的銅線一維電路的二十到三十分之一。這意味著，在此基礎(chǔ)上做成的芯片織物，摸起來很柔軟，仿佛不是一件剛性的電子器件。并且，它還可以水洗、用開水煮、泡在海水里、放在冰里，多次彎折，性能均十分穩(wěn)定。后來，在織物電子系統(tǒng)研發(fā)中，他們采用LED芯片，做成了電子紗線及全彩織物顯示器。農(nóng)歷兔年來臨時，陶肖明團(tuán)隊制成了顯示兔子動畫的全彩織物，白色情人節(jié)前夕又推出顯示愛心動畫的全彩織物，科技與藝術(shù)文化碰撞出了別樣的浪漫。

好奇心和社會需求，

創(chuàng)新突破的原動力

2014年，國內(nèi)一家公司研發(fā)出一種經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)的高分子材料，邀請中國科學(xué)院及理大的多名專家合作研究，探索是否有做成纖維和紡織品的可能?！暗谝慌w維樣品寄來時，紡織性能上有很多不足，但有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)它竟然具有優(yōu)良的廣譜抗菌性能。但是第二批樣品寄來后，這種抗菌性又消失了?！痹诤闷嫘牡闹敢?，陶肖明領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊對兩批樣品進(jìn)行了提取、萃取和化學(xué)分析研究，第一次發(fā)現(xiàn)了有效成分是生物基可降解聚羥基丁酸酯（PHBO）低聚物?！拔覀冊趯嶒炇液铣闪送愒嚇?，確定其抗菌效果、機(jī)理及最小抑菌濃度。”

在此基礎(chǔ)上，陶肖明與合作者通過流變改性、反應(yīng)性共混和熔融紡絲的制備方法，工業(yè)化生產(chǎn)了后來被命名為“禾素纖維”的抗菌纖維，建立了質(zhì)量控制的方法和實驗室，實現(xiàn)了抗菌效果穩(wěn)定可靠的纖維生產(chǎn)。禾素纖維可實現(xiàn)天然、無添加、綠色環(huán)保抗菌。它可以破壞有害菌的細(xì)胞壁，抑制、滅殺細(xì)菌，顛覆了長久以來依靠添加抗菌劑來達(dá)到優(yōu)異抗菌效果的傳統(tǒng)方式。以禾素纖維為基材，陶肖明與相關(guān)企業(yè)合作，研發(fā)出紡織服裝、家紡用品、母嬰用品、化妝品、衛(wèi)生用品等一系列抗菌新產(chǎn)品，多元領(lǐng)域跨界融合，全方位守護(hù)人們的健康。

2020年年初，陶肖明團(tuán)隊在實驗中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，生物基可降解聚羥基丁酸酯不僅具有超強(qiáng)的抗菌性能，還具有優(yōu)秀的消殺病毒性能，對新冠病毒和多種流感病毒的抗病毒活性率均為20分鐘達(dá)99.99%?！按蠹液芸炀蛨远讼敕ǎ欢ㄒ朔咔榈睦щy，利用這個抗病毒性能做一些對抗疫有利的事情?！痹诒藭r新冠感染的特殊時期，這項新發(fā)現(xiàn)意義重大。據(jù)此生產(chǎn)的禾素75%酒精濕巾、禾素抗菌口罩、禾素抗菌防護(hù)服等抗疫產(chǎn)品，在滿足國內(nèi)需求時，還積極對接國外需求，為全球共同抗擊疫情作出了貢獻(xiàn)。

在此基礎(chǔ)上，陶肖明團(tuán)隊通過更進(jìn)一步的制備和表征研究，發(fā)現(xiàn)了與生物基可降解聚羥基丁酸酯同族的聚羥基鏈烷酸酯型低聚物及其衍生物也有優(yōu)異的廣譜抗菌抗病毒的功能，同時具有低生物毒性、無過敏、無污染（降解產(chǎn)物為水和二氧化碳）和低碳排放等比其他抗菌抗病毒材料優(yōu)異的性能。這一系列的研發(fā)成果開創(chuàng)了新型綠色抗菌抗病毒材料工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用的時代?，F(xiàn)在兩家科技公司應(yīng)用這個科研成果，批量生產(chǎn)銷售合成的聚羥基鏈烷酸酯型低聚物抗菌抗病毒材料，正向纖維、紡織、服裝、涂料工業(yè)的廣泛應(yīng)用進(jìn)軍。

懷揣使命，

科研育人迭代產(chǎn)業(yè)

這些成就的取得，跟陶肖明幾十年如一日地奮戰(zhàn)在教研一線，每周工作六天半到七天的苦功分不開。2022年，陶肖明的研究生導(dǎo)師不幸去世。談起這位將近90歲的紡織物理學(xué)泰斗，她感慨萬千?！八o學(xué)生授課時，在講臺上摔了一跤，3天以后便與世長辭。導(dǎo)師對我影響至深，他那種生命不息、奮斗不止的精神，一直令我欽佩?！弊鳛槔蠋?，希望學(xué)科能一代代傳承創(chuàng)新，培養(yǎng)優(yōu)秀人才、促進(jìn)行業(yè)發(fā)展、挑戰(zhàn)學(xué)術(shù)難題，導(dǎo)師如此，陶肖明亦是。而她深知，這不是一代兩代人、三年五年之功便能做成。

“學(xué)校是培養(yǎng)人的地方，需要培養(yǎng)工程師、高科技人才，也需要培養(yǎng)公務(wù)人員、創(chuàng)業(yè)者。我的理念是讓人才在自己的領(lǐng)域做到極致，有健康快樂的人生，并不提倡千軍萬馬全去擠獨(dú)木橋，那樣的人生太單調(diào)、太難、太苦了。”開明的育人理念之下，陶肖明的學(xué)生遍布各行各業(yè)，建立起工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、政界乃至藝術(shù)界的溝通橋梁，促進(jìn)智能紡織的進(jìn)一步發(fā)展?！岸鴱牧硪粋€角度來說，一個領(lǐng)域要發(fā)展好，必須有一流的人才，才能持續(xù)做?；仡^看看，雖說談?wù)摦a(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)值是必要的，畢竟在工業(yè)水平低的情況下，大學(xué)能夠幫助企業(yè)有所增益，不失為一件好事。”但從根本上來論，陶肖明認(rèn)為，大學(xué)的使命是培養(yǎng)未來的人才，所以她十分注重培養(yǎng)學(xué)生從零開始的勇氣和毅力，充分給予他們創(chuàng)新的機(jī)會和平臺。

未來，依托智能紡織可穿戴系統(tǒng)研究院，陶肖明將著力在運(yùn)動健康、元宇宙、人工智能方面進(jìn)行可穿戴系統(tǒng)研究?！皬恼w需求出發(fā)，在現(xiàn)有技術(shù)、材料、科學(xué)的基礎(chǔ)上推進(jìn)新的領(lǐng)域?！遍L期處于一線工作，陶肖明對以紡織為基礎(chǔ)的電子器件的發(fā)展和技術(shù)的細(xì)節(jié)非常清楚。將近30年的時間中，她懷揣使命，帶領(lǐng)團(tuán)隊每隔5年進(jìn)行一次綜述性的總結(jié)研究。過程中，不光聚焦團(tuán)隊的項目，也會思考如何推動相關(guān)學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的發(fā)展，培養(yǎng)跨學(xué)科交流的人才。

當(dāng)被問及打算什么時候停下來，陶肖明笑呵呵地表示：“目前為止，我仍然覺得自己精力很旺盛，想法很多。跟年輕時相比，我對項目的判斷力、對趨勢的敏銳度更強(qiáng)。在學(xué)校、工業(yè)界、政府方面，我依然有源源不斷的支持，所以為什么不繼續(xù)做下去呢？倘若有一天真的江郎才盡，我又干嘛占著位置不讓賢？”這位睿智優(yōu)雅的智能紡織大家，對事業(yè)有著超乎尋常的信心和熱情，也有著令人敬佩的坦率和真誠。幾十年前，綾羅綢緞、紡染織秀；如今，復(fù)合材料、電子芯片。這前后看似完全不搭的事物，在她的人生里奇妙相遇，她一手牽引著細(xì)細(xì)的紡織纖維，一手操縱著剛性的電子器件，仿佛將古今交互、柔剛并濟(jì)。而今，在港島僻靜的一隅，這樣妙趣橫生的碰撞依然在持續(xù)上演，且代代相承?？?/p>

陶肖明

陶肖明（后排右四）與學(xué)生在一起

專家簡介

陶肖明，香港理工大學(xué)紡織科技講座教授、智能可穿戴系統(tǒng)研究院院長。1982年于中國華東紡織工學(xué)院（現(xiàn)東華大學(xué)）獲紡織工程學(xué)士學(xué)位。經(jīng)教育部選派留學(xué)，1987年在澳大利亞新南威爾士大學(xué)獲紡織物理博士學(xué)位。主要研究智能紡織材料及其光電子器件和系統(tǒng)、先進(jìn)紡織制造技術(shù)。發(fā)表900多篇學(xué)術(shù)論文和7部學(xué)術(shù)專著。獲得47項發(fā)明專利，其中十余項被多國廠家以特許授權(quán)方式采用。獲得中國工程院光華工程科技獎、美國纖維學(xué)會奠基者獎和國際紡織學(xué)會榮譽(yù)會士獎。曾擔(dān)任國際紡織學(xué)會世界會長。