王健

　　大纖維是基于材料、信息、機(jī)電、生物、能源等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)突破與交叉融合，以“智能，超能，綠色”為特征，具有多功能、多結(jié)構(gòu)、多組分特性，對(duì)眾多產(chǎn)業(yè)集群起到高滲透性、顛覆性、革命性提升效果的新一代纖維（見《大纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展白皮書》，2018年9月）。

　　目前，一個(gè)以先進(jìn)纖維材料為基礎(chǔ)，具備多組分、多結(jié)構(gòu)和多功能特點(diǎn)，能夠感知、計(jì)算、儲(chǔ)能、通信、執(zhí)行的新型智能纖維家族已經(jīng)開始出現(xiàn)并走向市場(chǎng)，復(fù)旦、浙大、東華等高校和研究機(jī)構(gòu)均有類似技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)，甚至有人已經(jīng)注冊(cè)公司進(jìn)行小規(guī)模制造。比如，中科院蘇州納米所李清文團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)基于碳納米管的高性能納米纖維，致力于使用新的具備超級(jí)性能的纖維品種取代被日本壟斷的碳纖維。另外，香港理工大學(xué)陶肖明團(tuán)隊(duì)正開發(fā)基于纖維的智能可穿戴技術(shù)，致力于通過(guò)纖維解決發(fā)電、傳感和通信問(wèn)題，下一代可穿戴設(shè)備將在高性能織物里面集成這些功能，從而實(shí)現(xiàn)從外掛到內(nèi)嵌再到內(nèi)生的跨越。

　　大纖維：

　　跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的交叉融合特性

　　大纖維具有與生俱來(lái)的跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的交叉特性。其理論基礎(chǔ)和技術(shù)路線也呈現(xiàn)百花齊放的勃勃生機(jī)。如在結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論指導(dǎo)下，發(fā)展基于光纖的多材料、多結(jié)構(gòu)的多功能智能纖維；在納米理論指導(dǎo)下，發(fā)展基于碳納米管、石墨烯的高功能纖維；在高分子設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)下，從分子結(jié)構(gòu)上開發(fā)超高性能纖維；在合成生物學(xué)理論指導(dǎo)下，通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)創(chuàng)造高性能生物纖維等。

　　跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的交叉融合將誕生許多完全嶄新的纖維品種，其中有相當(dāng)大比例的纖維品種有著巨大的商業(yè)價(jià)值，給下游許多產(chǎn)業(yè)帶來(lái)深刻的影響，并從根本上改變這些產(chǎn)業(yè)的生態(tài)，從而誕生一個(gè)龐大的新興產(chǎn)業(yè)集群。我們把大纖維相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品和圍繞下游豐富應(yīng)用所形成的新產(chǎn)業(yè)集群叫作大纖維產(chǎn)業(yè)。

　　近年來(lái)，大纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭初現(xiàn)，跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的新型智能纖維家族正在不斷“增員”中。MIT（美國(guó)麻省理工學(xué)院）陳剛教授開發(fā)的高導(dǎo)熱率纖維顛覆了傳統(tǒng)高分子材料絕熱理論，通過(guò)拉伸重構(gòu)，使纖維中聚合物鏈有序排列，獲得了具有“理想”單晶結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)熱率的纖維；斯坦福大學(xué)的教授從功能需求出發(fā)，基于物理原理研發(fā)出由硅納米線電池負(fù)極、納米高分子纖維制作的PM2.5過(guò)濾膜和納米多孔聚乙烯布料；長(zhǎng)勝紡織科技發(fā)展（上海）有限公司釆用冷轉(zhuǎn)印技術(shù)精確定量以印代染，顛覆了幾千年來(lái)大量使用稀釋染液的印染工藝，實(shí)現(xiàn)基本無(wú)水耗、無(wú)排放印染，而且可直接在織物上印染高精密功能線條和圖案，成為發(fā)展智能化電子織物產(chǎn)業(yè)化的平臺(tái)級(jí)技術(shù)。

　　同時(shí)，大纖維技術(shù)突破了原有技術(shù)的制造瓶頸。幾十年來(lái)，蜘蛛絲用傳統(tǒng)化學(xué)合成理論和方法一直無(wú)法制造出來(lái)。如今，應(yīng)用生物合成理論，通過(guò)蜘蛛基因調(diào)控家蠶和細(xì)菌的蛋白質(zhì)分子，高性能的蜘蛛絲已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。這被認(rèn)為是自尼龍問(wèn)世以來(lái)最重要的紡織材料進(jìn)步。

　　相比鋼材、塑料等傳統(tǒng)材料，大纖維在柔韌性、輕量化、多功能、高性能、綠色化和智能化等方面有明顯的差異化優(yōu)勢(shì)。在汽車和飛機(jī)制造等高性能鋼材的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)應(yīng)用領(lǐng)域，為達(dá)到更高的柔韌性、輕量化和高能效，纖維復(fù)合材料所占比例已越來(lái)越高。2018年底，有媒體報(bào)道了一個(gè)智能碳纖維汽車車身的實(shí)例，既實(shí)現(xiàn)車身輕量化，又能根據(jù)風(fēng)阻變形。碳纖維車身用3D技術(shù)（完全省掉了裁剪、沖壓、焊接等金屬加工工序）復(fù)合制成，并在織物中混合了具有太陽(yáng)能發(fā)電功能的纖維，可取代部分電池，多功能碳纖維的采用使整車性價(jià)比大大提高。這是很典型的大纖維部分取代傳統(tǒng)材料的應(yīng)用案例。

　　實(shí)際上，歷次工業(yè)革命都離不開對(duì)人和人造系統(tǒng)關(guān)系的重新定義，圍繞“以人為本”展開。眾所周知，人體70%以上的組織由纖維構(gòu)成。擁有生物相容性的綠色纖維疊加了智能和多功能要素之后，所形成的新一代智能可穿戴系統(tǒng)或人體植入式系統(tǒng)，可以以最安全、最輕便、最有效的方式采集人體數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)人體健康、施加有效影響并幫助人提升健康和運(yùn)動(dòng)水平?；谒杉臄?shù)據(jù)形成的“數(shù)字人”，將成為人工智能社會(huì)里最重要的資產(chǎn)之一。只有到了這個(gè)階段，社會(huì)數(shù)字化才真正實(shí)現(xiàn)，而大纖維將成為人體世界、實(shí)體物理世界和虛擬信息世界之間最佳的橋梁。

　　編材制造：

　　從原子到超系統(tǒng)的多層次創(chuàng)新制造技術(shù)

　　美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼提出過(guò)一個(gè)著名的問(wèn)題：“假如原子能夠按照我們?cè)O(shè)想的方式來(lái)排列，那么材料將有怎樣的性質(zhì)？”這個(gè)問(wèn)題啟示高分子科學(xué)家們要走出傳統(tǒng)高分子的范疇，將可控的分子不均一性及其相關(guān)的精確結(jié)構(gòu)引入合成高分子，拓展合成高分子的基本結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更為精密的功能化。在美國(guó)工程院程正迪院士等人撰寫的《巨型分子：化學(xué)、物理學(xué)和生物科學(xué)的交匯》一文中提出“From structure to function（從結(jié)構(gòu)到功能）”的觀點(diǎn)，提示我們要從結(jié)構(gòu)思考發(fā)展到關(guān)于功能性的考量。比如，紗布過(guò)去只是用于包扎傷口，但用大纖維來(lái)開發(fā)的智能紗布除了包扎傷口之外還有消炎、治療功能，并可與遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)連接，在線監(jiān)測(cè)病人情況。

　　上述兩位科學(xué)家的思想啟示我們，在物理層次上，關(guān)于大纖維的討論絕不應(yīng)僅僅著眼于纖維和織物這樣的中觀層面，還應(yīng)該向微觀進(jìn)發(fā)，下探到分子和原子的基本層次，同時(shí)向宏觀擴(kuò)展，上升到器件和系統(tǒng)、甚至超系統(tǒng)（系統(tǒng)之系統(tǒng)）的層次。因此，大纖維的物理層次包括7層，分別是：原子—分子（鏈）—纖維—織物—器件—系統(tǒng)—超系統(tǒng)。

　　過(guò)去，我們較多從纖維的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和彼此之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系出發(fā)指向具體功能?，F(xiàn)在，我們則從需求出發(fā)，確定功能性，再來(lái)設(shè)計(jì)纖維結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可以多組分、多結(jié)構(gòu)融合獲取所需要的功能。

　　大纖維兼具材料技術(shù)革命與制造技術(shù)革命的雙重意義。其充分利用現(xiàn)有的紡織和其他先進(jìn)制造技術(shù)，并不斷發(fā)展出新的制造技術(shù)，在從原子到超系統(tǒng)的各個(gè)層面進(jìn)行制造活動(dòng)。如在原子和分子層面的基因編輯技術(shù)或生物合成技術(shù)，雜化和各類聚合物分子合成技術(shù)（纖維和基質(zhì)用聚合物、碳纖維前體、陶瓷纖維、纖維素和生物高聚物等）；在纖維和紗線層面，有濕式或干式紡技術(shù)、熔融紡技術(shù)、雙組分紡技術(shù)、非織造技術(shù)、短纖維技術(shù)和精密卷繞技術(shù)等；在織物和結(jié)構(gòu)層面，有間隔技術(shù)、編織、編帶、機(jī)織、針織、編織連接、組織工程、膜技術(shù)、編織擠拉、結(jié)構(gòu)卷繞技術(shù)等；在功能化和器件層面，有溶膠-凝膠技術(shù)、染整技術(shù)、數(shù)字印刷技術(shù)、納米技術(shù)、物理和化學(xué)方法、涂層、電子元件集成、傳感和執(zhí)行特性的開發(fā)等；在智能系統(tǒng)和超系統(tǒng)層面，有建模仿真、虛擬化、自動(dòng)化與機(jī)器人、3D打?。ㄔ霾闹圃欤?、數(shù)字化、智能化、綠色和可持續(xù)制造技術(shù)等。

　　此外，大纖維對(duì)沿襲了幾千年的紡織及其制造工藝具有顛覆性意義，如多材料智能纖維可用紡紗手段制造，多功能織物可用織造和印刷手段制造，高性能織物可以用復(fù)合和混合手段制造。

　　大纖維所對(duì)應(yīng)的制造工藝技術(shù)體系，容納了紡織工程常見的等材制造方法、常規(guī)材料加工所用的減材制造方法、以3D打印和機(jī)器人為代表的增材制造或數(shù)字建造方法。另外，還有許多非常規(guī)的創(chuàng)新的制造工藝和方法有待我們進(jìn)一步研究和開發(fā)。

　　可以說(shuō)，基于大纖維的從原子到超系統(tǒng)的新制造技術(shù)體系極大地豐富了制造手段，有望成為繼以機(jī)床為代表的減材制造和以3D打印為代表的增材制造之后的，又一類有著重要意義和極高價(jià)值的制造模式。大纖維產(chǎn)業(yè)工作組的專家們首次創(chuàng)新地稱之為“編材制造”。 這個(gè)“編”字，既反映了傳統(tǒng)意義上的纖維和紗線層面上的紡制和編織，又反映了在分子甚至原子層面的編輯和剪裁；既反映了在織物和器件層面上的集成和結(jié)構(gòu)化，又反映了在系統(tǒng)和超系統(tǒng)層面上的多維數(shù)字化編程，賦予對(duì)象自動(dòng)化和智能化的屬性。

　　與大纖維相關(guān)的以編材制造命名的新制造技術(shù)體系，不僅涵蓋了常規(guī)的等材制造、減材制造和新興的數(shù)字化增材制造技術(shù)，而且包含了大量創(chuàng)新的尖端的制造工藝和技術(shù)。所謂“一代材料、一代工藝、一代裝備”，對(duì)編材制造工藝技術(shù)的研究和掌握，以及相應(yīng)研發(fā)、制造、測(cè)試和驗(yàn)證裝備的開發(fā)，是大纖維最終走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的必由之路，同時(shí)也是一片新的制造業(yè)“藍(lán)?！薄?/p>

　?。ㄗ髡呦抵袊?guó)科技自動(dòng)化聯(lián)盟秘書長(zhǎng)、大纖維產(chǎn)業(yè)工作組組長(zhǎng)）

　　《中國(guó)冶金報(bào)》（2019年08月07日 03版三版）