“FiberCircuits項(xiàng)目是一項(xiàng)由麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的微型化框架，旨在將高密度集成電路直接嵌入到可穿戴和可機(jī)洗的纖維中。纖維內(nèi)部封裝了 MCU、傳感器和 LED，尺寸極小，例如1.4 毫米寬的 ARM 微控制器和0.9 毫米寬的傳感器，從而實(shí)現(xiàn)了防水、耐用的交互式紡織品。”

當(dāng)前的可穿戴技術(shù)市場(chǎng)雖已形成規(guī)模，但其產(chǎn)品形態(tài)的內(nèi)在局限性正日益凸顯。絕大多數(shù)設(shè)備仍是剛性、笨重的電子模塊，它們被“佩戴”于身體，而非“融入”肌體。這種物理上的隔閡感損害了用戶(hù)體驗(yàn)，嚴(yán)重制約了可穿戴設(shè)備發(fā)揮其市場(chǎng)潛力。計(jì)算機(jī)科學(xué)先驅(qū) Mark Weiser 曾提出“泛在計(jì)算 (Ubiquitous Computing)”的愿景，預(yù)言技術(shù)終將“消失并融入我們?nèi)粘Ｉ畹慕Y(jié)構(gòu)之中”。實(shí)現(xiàn)這一愿景，要求可穿戴技術(shù)完成一次從“佩戴”到“融入”的范式革命。FiberCircuits 正是為引領(lǐng)這場(chǎng)革命而構(gòu)建的開(kāi)創(chuàng)性技術(shù)框架，其核心戰(zhàn)略目標(biāo)是將高性能計(jì)算能力無(wú)縫織入紡織品，從而實(shí)現(xiàn)真正的“無(wú)感計(jì)算”。

FiberCircuits 項(xiàng)目的價(jià)值在于提供了一個(gè)從設(shè)計(jì)、原型到規(guī)?；a(chǎn)的端到端解決方案。建立了一套將高密度集成電路封裝于纖維內(nèi)部的完整設(shè)計(jì)原則與制造藍(lán)圖。

提供開(kāi)源硬件設(shè)計(jì)與兼容 Arduino 的軟件平臺(tái)，降低了創(chuàng)新門(mén)檻，加速整個(gè)行業(yè)的研究、開(kāi)發(fā)與原型驗(yàn)證進(jìn)程。

展示了一系列覆蓋虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）控制到個(gè)人安全等領(lǐng)域的功能原型，驗(yàn)證了該技術(shù)平臺(tái)的廣泛市場(chǎng)適應(yīng)性。

提出了一套基于“卷對(duì)卷”（Roll-to-Roll）工藝的工業(yè)化生產(chǎn)流程，為實(shí)現(xiàn)低成本、大規(guī)模商業(yè)化部署奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

接下來(lái)，我們來(lái)深入剖析 FiberCircuits 的核心技術(shù)架構(gòu)，揭示其如何將復(fù)雜的電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為柔軟、耐用且功能強(qiáng)大的智能纖維。

FiberCircuits 應(yīng)用實(shí)例

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用 FiberCircuits 平臺(tái)構(gòu)建了三個(gè)功能完備的原型，展示了其在不同紡織工藝和交互場(chǎng)景中的多樣性。

• VR 手套控制器 (VR Glove Controller) 通過(guò)刺繡工藝將一根集成了慣性測(cè)量單元（IMU）的主控光纖固定在手套上。該手套能夠?qū)崟r(shí)追蹤手指的彎曲程度和手部的空間朝向，可作為虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)的精準(zhǔn)輸入設(shè)備，或用于控制音樂(lè)合成器等數(shù)字樂(lè)器。此原型展示了一種為快速增長(zhǎng)的 AR/VR 市場(chǎng)提供低延遲、高保真輸入模態(tài)的途徑，且無(wú)需笨重的外部硬件。

• 交互式針織帽 (Interactive Beanie) 過(guò)針織工藝將一根 LED 顯示光纖和一根主控光纖無(wú)縫集成到一頂帽子中。利用內(nèi)置的加速度計(jì)，帽子可以檢測(cè)騎行者頭部的傾斜動(dòng)作，并自動(dòng)點(diǎn)亮相應(yīng)方向的 LED 作為轉(zhuǎn)向信號(hào)燈。該原型驗(yàn)證了平臺(tái)在個(gè)人安全和運(yùn)動(dòng)穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，滿(mǎn)足了市場(chǎng)對(duì)免提、直觀信號(hào)交互的關(guān)鍵需求。

• 交互式腕帶 (Interactive Wristband) 通過(guò)編織工藝將五根 LED 顯示光纖和一根主控光纖結(jié)合，形成一個(gè)矩陣式顯示屏。該腕帶可作為健身追蹤器，通過(guò)內(nèi)置的加速度計(jì)檢測(cè)傾斜角度，從而控制屏幕上文字或動(dòng)畫(huà)的滾動(dòng)速度。此應(yīng)用證明了平臺(tái)構(gòu)建完全集成、閉環(huán)系統(tǒng)的能力，使其成為傳統(tǒng)剛性形態(tài)健身追蹤器的直接競(jìng)爭(zhēng)者。

除了已實(shí)現(xiàn)的原型，F(xiàn)iberCircuits 的微型化和集成性也為未來(lái)更廣泛的應(yīng)用開(kāi)啟了想象空間。

• 可穿戴設(shè)備 (Wearables):可集成于智能眼鏡鏡腿中提供免提控制，或制成智能戒指、健康追蹤器，實(shí)現(xiàn)無(wú)感的生物信號(hào)持續(xù)監(jiān)測(cè)。
• 環(huán)境智能 (Ambient Intelligence):可織入智能睡眠面罩以監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量，或集成于枕頭、智能音箱的織物表面，創(chuàng)造更自然的人機(jī)交互界面。
• 響應(yīng)式宇航服 (Responsive Spacesuits): 可用于宇航服的碰撞檢測(cè)、通過(guò)觸覺(jué)反饋向宇航員發(fā)出警告，甚至在艙外活動(dòng)中傳遞人體觸摸的反饋，增強(qiáng)宇航員之間的協(xié)作與感知。

FiberCircuits 架構(gòu)

FiberCircuits 技術(shù)從 LED 燈絲等成熟工業(yè)產(chǎn)品中汲取靈感，利用現(xiàn)有且可擴(kuò)展的柔性電路板（FPC）工藝，通過(guò)極致的小型化和創(chuàng)新的封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)電子器件與傳統(tǒng)紡織品的無(wú)縫融合。

硬件設(shè)計(jì)

原理圖和 PCB 都有 KiCad 設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)文檔見(jiàn)文末。

FiberCircuits 的基礎(chǔ)是一種寬度介于 1.0 毫米至 1.5 毫米之間的超窄柔性印刷電路板（FPC）。這種纖維形態(tài)的電路板可以承載各種微型集成電路，并根據(jù)功能需求分為兩種主要類(lèi)型，以實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

主控 FiberCircuits 中的雙加速度計(jì)允許系統(tǒng)同時(shí)追蹤不同維度的運(yùn)動(dòng)。例如，在 VR 手套應(yīng)用中，一個(gè)加速度計(jì)用于測(cè)量手指的彎曲程度，而另一個(gè)則用于捕捉手部的整體傾斜姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更精確的動(dòng)作捕捉。

封裝與防護(hù)技術(shù)

為確保電子纖維在日常使用中的高可靠性，F(xiàn)iberCircuits 采用了雙重封裝策略，以應(yīng)對(duì)物理磨損和環(huán)境侵蝕的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

• 硅膠涂層 (Silicone Coating)：首先，電路板被一層透明的聚二甲基硅氧烷（PDMS）硅膠完全包裹。這層涂層提供了卓越的防水性能，保護(hù)內(nèi)部的精密電子元件免受濕氣和灰塵的侵蝕。
• 編織護(hù)套 (Over-braiding)：在硅膠涂層之外，纖維被一層致密的編織物覆蓋。這種外部護(hù)套極大地增強(qiáng)了纖維的機(jī)械強(qiáng)度和耐用性，使其能夠抵御彎曲、拉伸和摩擦。

這兩種技術(shù)的結(jié)合，使得最終的交互式紡織品不僅堅(jiān)固耐用，而且支持機(jī)洗。解決了傳統(tǒng)電子紡織品因保養(yǎng)與維護(hù)不便而導(dǎo)致消費(fèi)者接受度低的核心痛點(diǎn)，從而極大地提升了其商業(yè)可行性。

通過(guò)這種精巧的架構(gòu)設(shè)計(jì)，F(xiàn)iberCircuits 成功地將功能與耐用性結(jié)合起來(lái)，為下一章節(jié)將要探討的技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)框架

一個(gè)成功的技術(shù)平臺(tái)，其價(jià)值不僅在于架構(gòu)的創(chuàng)新，更在于一系列關(guān)鍵工程權(quán)衡與生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建決策。我們將剖析其在核心處理單元、輸入輸出模態(tài)以及軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境方面的戰(zhàn)略選擇。

核心處理單元選型分析

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選擇了意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）的 STM32 系列芯片。這一決策是在對(duì)市面上多種微型處理器進(jìn)行全面評(píng)估后做出的，旨在實(shí)現(xiàn)尺寸、性能、功耗和開(kāi)發(fā)便捷性之間的最佳平衡。

STM32 芯片憑借其 1.4 毫米的窄尺寸、充足的閃存、內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）功能以及強(qiáng)大的開(kāi)源社區(qū)支持（STM32duino），成為 FiberCircuits 平臺(tái)的理想選擇。它不僅滿(mǎn)足了極致小型化的要求，還為開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)熟悉且功能豐富的編程環(huán)境，這是構(gòu)建繁榮生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

輸入與輸出模態(tài)

FiberCircuits 平臺(tái)支持多種輸入（傳感）和輸出（反饋）模態(tài)，既有已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的原型，也為未來(lái)的擴(kuò)展留下了廣闊空間。

已實(shí)現(xiàn)的輸入模態(tài)包括：

• 運(yùn)動(dòng)與方向追蹤：通過(guò)集成 MEMSIC MMC5633NJL 磁力計(jì)（0.9mm 寬）和 MC3672 加速度計(jì)（1.1mm 寬），纖維能夠精確捕捉方向、傾斜和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。
• 電容式觸摸傳感：利用微控制器內(nèi)置的 ADC 或?qū)Ｓ玫挠|摸感應(yīng)芯片，可以輕松實(shí)現(xiàn)觸摸交互。

潛在的輸入模態(tài)：

• 生物信號(hào)：可集成光電容積描記（PPG）、皮電活動(dòng)（EDA）和心電圖（ECG）傳感器，用于健康監(jiān)測(cè)。
• 光學(xué)傳感：可集成光敏傳感器或顏色傳感器，用于環(huán)境感知或手勢(shì)識(shí)別。
• 聲學(xué)傳感：可集成微型麥克風(fēng)，用于語(yǔ)音交互或聲源定位。

已實(shí)現(xiàn)的輸出模態(tài)是可尋址的 LED 顯示光纖，能夠形成動(dòng)態(tài)的視覺(jué)顯示矩陣。

前瞻性的輸出模態(tài)則包括利用液晶聚合物（LCPs）實(shí)現(xiàn)形狀變化界面，或通過(guò)微電流刺激實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)反饋。

軟件與開(kāi)發(fā)生態(tài)

為了降低創(chuàng)新門(mén)檻，讓更廣泛的研究人員和創(chuàng)客能夠使用該平臺(tái)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)移植 STM32duino 核心庫(kù)，使 FiberCircuits完全兼容 Arduino。用戶(hù)可以直接使用簡(jiǎn)單的setup()和loop()函數(shù)進(jìn)行編程，并利用項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提供的定制化開(kāi)源庫(kù)，快速調(diào)用各種傳感器和執(zhí)行器，從而極大地縮短了從概念到原型的開(kāi)發(fā)周期。

制造工藝與可擴(kuò)展性分析

一項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)價(jià)值不僅取決于其設(shè)計(jì)上的精巧，更關(guān)鍵的是其是否具備可行的、經(jīng)濟(jì)高效的規(guī)?；a(chǎn)能力。

快速原型制作：光纖激光器

在研發(fā)階段，快速迭代是成功的關(guān)鍵。FiberCircuits 采用光纖激光器（如 JPT 品牌）進(jìn)行柔性電路板（FPC）的原型制作。該工藝?yán)?a target="_blank">高精度激光束在覆銅薄膜上直接蝕刻或切割出電路走線，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)40μm的線寬精度。這種方法不僅精度高，而且速度快：制作一個(gè)復(fù)雜的纖維電路原型僅需約 5 秒鐘。這使得設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成從設(shè)計(jì)、制造到測(cè)試的完整閉環(huán)，極大地加速了創(chuàng)新進(jìn)程。

工業(yè)化量產(chǎn)流程：卷對(duì)卷制造

為了實(shí)現(xiàn)從米級(jí)到公里級(jí)的跨越，F(xiàn)iberCircuits 提出了一套完整的“卷對(duì)卷”（Roll-to-Roll）連續(xù)制造流程。該流程借鑒了 NFC 標(biāo)簽等產(chǎn)品的成熟量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將多個(gè)生產(chǎn)步驟整合到一條自動(dòng)化生產(chǎn)線上。

1. 互連合成 (Interconnects Synthesis)使用工業(yè)級(jí)光纖激光器在連續(xù)的柔性基材卷上高速雕刻電路圖案。
2. 焊膏沉積 (Solder Paste Deposition)通過(guò)模板印刷技術(shù)，將焊膏精確地涂覆在所有元件的焊盤(pán)上。
3. SMD 部件貼片 (SMD Parts Pick and Place)高速貼片機(jī)自動(dòng)將微控制器、傳感器和 LED 等表面貼裝器件（SMD）精確放置到涂有焊膏的電路板上。
4. 回流焊爐 (Reflow Oven) 電路板通過(guò)一個(gè)多溫區(qū)的回流焊爐，焊膏熔化后冷卻，將所有元件牢固地焊接在電路板上。
5. 防水處理 (Waterproofing)通過(guò)注塑或涂覆工藝，將硅膠等防水材料均勻地封裝在纖維電路外部。
6. 纖維紋理定型 (Fiber Texture Finalization)根據(jù)需要，在纖維外部進(jìn)行編織或紡紗，賦予其傳統(tǒng)紗線的外觀和觸感，并進(jìn)行最終的卷繞。

小結(jié)

FiberCircuits 的主要競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)可以歸結(jié)為以下四點(diǎn)，它們共同構(gòu)成了其強(qiáng)大的價(jià)值主張：

• 極致小型化 (Extreme Miniaturization): 將高性能電路封裝于直徑僅 1.5mm 的纖維內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了真正的“隱形”計(jì)算，為用戶(hù)提供了前所未有的舒適性和無(wú)感體驗(yàn)。
• 卓越耐用性 (Exceptional Durability):經(jīng)過(guò)嚴(yán)苛的機(jī)械和洗滌測(cè)試驗(yàn)證，其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和可機(jī)洗特性完全滿(mǎn)足日常使用的要求，解決了消費(fèi)級(jí)電子紡織品的關(guān)鍵痛點(diǎn)。
• 開(kāi)放與易用性 (Openness & Accessibility):基于開(kāi)源硬件和兼容 Arduino 的軟件生態(tài)系統(tǒng)，極大地降低了開(kāi)發(fā)者和設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新門(mén)檻，有助于激發(fā)更廣泛的社群參與和應(yīng)用創(chuàng)造。
• 商業(yè)可擴(kuò)展性 (Commercial Scalability):提出了明確的低成本、高效率的卷對(duì)卷（Roll-to-Roll）量產(chǎn)路徑，為從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

盡管前景廣闊，F(xiàn)iberCircuits 平臺(tái)仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如，高度集成化的纖維給材料回收帶來(lái)了新的課題。此外，在當(dāng)前原型中，電源仍需外部連接，實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立的能源解決方案是未來(lái)的重要方向。

為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)規(guī)劃了清晰的未來(lái)工作路線圖。中期目標(biāo)包括集成能量收集組件（如微型光伏電池）和例如 InPlay IN100-W (1.1 毫米寬) 等微型藍(lán)牙芯片，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信和更高的能源自主性。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，該技術(shù)有望應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，如可植入式醫(yī)療設(shè)備和大規(guī)模的響應(yīng)式建筑材料，最終實(shí)現(xiàn) Mark Weiser 所構(gòu)想的，一個(gè)技術(shù)與環(huán)境無(wú)縫融合的未來(lái)。

項(xiàng)目主頁(yè)：

https://www.media.mit.edu/projects/fibercircuits/

項(xiàng)目倉(cāng)庫(kù)（含軟硬件源文件）：

https://github.com/FiberCircuits/

論文下載：

https://dam-prod2.media.mit.edu/x/2025/08/10/FiberCircuits_UIST2025_dhvfHS3.pdf