理大研安全磁流變纖維獲《自然》刊登 可抓易碎物、遙距仿真手感、智能調溫

香港理工大學 (理大) 科研團隊在智能材料領域取得革命性突破，成功研發出可在人體安全磁場下，靈活變形並調控機械特性的柔軟磁流變紡織品。該物料以電力驅動、支持編程控制，同時兼具輕量、柔韌和透氣的紡織特性，可廣泛應用於智能穿戴、柔性機械人、虛擬實境 (VR) 和元宇宙虛擬觸感體驗等領域。

這種軟磁聚合物複合纖維以電力驅動、支持編程控制，同時兼具輕量、柔韌和透氣的紡織特性。

傳統磁流變材料長期受制於兩大瓶頸：磁粉笨重和高強度磁場對人體健康構成潛在風險。帶領該研究的理大智能可穿戴系統研究院院長、吳文政及王月娥紡織科技教授兼時裝及紡織學院紡織科技講座教授陶肖明教授指出：「研究團隊的核心目標是打破傳統磁流變技術的應用局限，拓展至纖維形式，既具精準智能調控，又能兼容紡織材料輕柔透氣的特性。」

香港理工大學陶肖明教授（左）及蒲俊宏博士（右）帶領的研究團隊研發可在人體安全磁場下靈活變形並調控機械特性的柔軟磁流變紡織品

科研團隊創新研製的軟磁聚合物複合纖維，直徑僅 57 微米，通過在塑膠物料 (低密度聚乙烯基質) 中均勻分散磁粉，不僅實現低強度磁場下的精準控制，更解決磁粉沉重問題，又可進一步編織成紗線、多層面料，實現大面積可控變形。該突破性研究獲研資局「2024/25 年度主題研究計劃」資助 6,237 萬港元，並已於國際期刊《自然》上發表，題為「矢量刺激響應的磁流變纖維材料」。

研究團隊利用這種具備獨特方向性可控反應能力的嶄新纖維開發了多種創新物料。

不同於傳統僅對電壓、電流、溫度等「標量刺激」反應的智能材料，團隊研發的磁流變紡織品具備獨特的方向性可控反應能力，三大創新物料包括：

研究團隊開發的創新物料包括能通過電流控制剛度靈活抓起易碎或不規則形狀物品的柔性「靈巧抓」。

• 柔性「靈巧抓」: 通過電流控制剛度，可如人類手指般靈活抓起易碎、豆腐、藍莓、綠豆糕、薯片和螺旋面等軟質、易碎或不規則形狀物品，大輻降低操作過程中的損壞或變形風險。

研究團隊開發的創新物料包括可精準模擬不同物體的表面紋理與觸感硬度的遙距仿真手感指套。

• 遙距仿真手感指套: 全織物材可精準模擬不同物體的表面紋理與觸感硬度，佩戴更輕便舒適，適用於遠程手術培訓、中風康復訓練、虛擬試衣等多元場景，彌補市面同類觸覺手套普遍存在過大和過重的不足。

研究團隊開發的創新物料包括通過電控磁場驅動纖維結構變形實現透氣量智能調節的主動通風調溫織物。

• 主動通風調溫織物: 針對紡織服裝的濕熱管理痛點，通過電控磁場驅動纖維結構變形，實現透氣量智能調節，顯著提升穿戴溫濕舒適度。

談及技術創新性，陶肖明教授解釋：「本研究的關鍵突破在於首次將傳統剛性磁性裝置轉化為柔性替代品，更可延伸至硬磁性纖維材料研發，為新一代柔性機械人、電磁裝置及可穿戴技術的研發奠定基礎。」

對於產業化前景，團隊成員、時裝及紡織學院助理教授(研究)蒲俊宏博士補充：「從原材料選擇到處理工藝，我們都考慮了產業化需求，採用已實現大規模量產的商品級原料，且處理工藝成熟，為技術快速落地食品生產、醫療康復、元宇宙交互等領域應用奠下基礎。」

手機、穿戴裝置以至電動車的無線充電應用早已普及，但無線能源技術的下一步，並不止於把電力傳送出去。香港理工大學的研究團隊開展了一項突破性綜述研究，提出「無線能源互聯網」的技術路線圖，主張按實際需要直接輸出光能、熱能與機械能等非電能形式，建立如互聯網般靈活、高效的能源傳輸網絡，推動業界從「無線電能傳輸」邁向直接「無線能源轉換」。

在技術原理上，兩者的分別相當明顯。傳統無線電能傳輸系統，一般先把接收到的電能儲存在電池或超級電容器內，之後才輸出光、熱或動能；直接無線能源轉換則把傳輸的電能直接轉化為化學能、光能、熱能或機械能。也就是説，發射端送出的能量可直接「變成」照明的光、加熱的熱或驅動的動力，不必先為電池充電，中間的儲能與轉換程序得以省去，能量損耗隨之降低，整體效率有望提升，接收端的硬體配置亦可簡化。研究同時建立統一框架，將近場與遠場傳輸，以及無線充電、照明、加熱及馬達驅動（機械能）等不同應用整合起來，並歸納出相關技術的共通設計原則與未來發展方向。

這項研究由理大電機及電子工程學系電能工程講座教授兼電動車研究中心聯合主任鄒國棠教授，以及同系助理教授兼電動車研究中心經理劉偉教授領導。團隊一方面識別出無線能源轉換系統的共通技術原則與關鍵工程瓶頸，另一方面就標準化、網絡安全、能量收集及新興應用等領域提出發展方向，並列出必須克服的挑戰，為日後大規模應用提供重要參考。相關研究已發表於《自然綜述：電氣工程》（Nature Reviews Electrical Engineering），並先後於第50屆瑞士日內瓦「國際發明展」獲評審團嘉許金獎，以及在「第四屆亞洲創新發明展覽會 —— 香港」奪得全場總冠軍和金獎。

鄒教授指出，這次綜述研究在兩個技術層面具關鍵影響。他解釋，其一是確立具體且可行的設計路徑，範圍涵蓋發射端（原邊）控制、多頻補償網絡、安全傳輸及磁場定向傳輸等核心技術；其二是為未來產業標準、安全規範及應用優先順序提供策略性指引。他認為，這些成果將有助產業界選擇合適的產品架構，亦可協助政策制定者與投資者，識別推動商業化與大眾化所需的基礎設施。

從應用現況來看，將電能傳輸至電池的技術發展最成熟、應用亦最廣泛，便攜式電子產品及生物醫學植入裝置已見其身影，電動車和軌道交通領域的發展亦相當迅速。至於無線照明、加熱和馬達驅動，則在特殊應用場境中展現獨特價值，例如惡劣環境下的密封式馬達、車載儲能需求較低的移動機器人，以及適用於磁力共振成像（MRI）兼容機器人的電容式超聲波馬達。在這些場境中，傳統電纜、電池或複雜的接收端電子元件，往往難以維護或不適用。直接能源轉換系統另具輕量化、操作便捷、高效率、靈活性強及安全性高等優勢。

對大眾消費者而言，這項技術的意義更為貼身。電池可能因電芯缺陷、內部短路、過度充電或熱管理不善而發生故障，構成安全風險；無線供電技術的運作則更靈活、更可持續，有望縮小電池組體積，甚至讓車輛毋須自備儲能裝置。電池愈小，儲存的化學能愈少，相關的儲能安全風險自然相應降低，這正是無線能源轉換技術對日常生活最直接的價值。

不過，直接能源轉換雖可減低儲能風險，卻會衍生另一層面的安全考量。無線能源網絡目前仍要面對多項挑戰，其中最首要的是能量傳輸本身的安全問題，包括人體長時間暴露於電磁場的潛在影響，以及電磁波對周邊電子設備的幹擾，在公共場所和醫療設施等環境尤其令人關注。研究亦指出，系統的複雜性與性能限制同樣構成應用障礙，在高功率無線充電和無線馬達驅動方面尤為明顯。

劉教授補充，研究揭示了一項關鍵的商業轉化挑戰：現行標準多數只涵蓋特定應用，尤其是電動車無線充電；但在更廣泛的無線能源轉換領域，涉及安全、電磁輻射及互操作性的完整框架仍未完善。有見及此，團隊主張以系統性、整體性的方式設計無線能源系統，而非把各個能源轉換階段分開來各自優化。

研究團隊又把無線能源轉換歸納為四大類別：化學能（充電）、光能（照明）、熱能（加熱）及機械能（馬達驅動）。這四類技術足以涵蓋家居、工業、生物醫學，以至深海及深空探測等極端環境中的大部分應用場景。展望未來，無線能源網絡有望自動辨識不同裝置的具體能量需求，不論是化學能、光能、熱能還是機械能，並據此動態調整傳輸頻率、電磁場分佈及功率水平。

研究亦歸納出四項主要工程挑戰，分別是安全性、可擴展性、系統複雜性及性能表現，並就此提出四大優先發展方向。第一，應建立標準化接口，讓不同裝置能夠協商功率、識別接收端、交換數據、控制系統、處理故障並互相兼容。第二，發展一體化的能量加密與物理層保安技術，確保能量傳輸安全可靠。第三，針對航天應用開發輕巧、密封且耐輻射的耦合器、轉換器及中繼發射器，以連接衞星、太空站、探測車及行星基地。第四，強化電磁能量收集技術，重點包括高靈敏度接收器、超低功耗整流技術，以及結合環境能量收集與專用無線供電的混合架構。

「無線能源互聯網」讓能源在來源、介面裝置與用户之間以無線方式流動，有望實現靈活且非接觸式的能源傳輸。圖為理大研究團隊研發的原型裝置。

理大電機及電子工程學系電能工程講座教授鄒國棠教授(右)及助理教授劉偉教授(左) 帶領的研究為可傳輸光、熱與機械能的無線能源網絡鋪路。相關研究已發表於《自然綜述：電氣工程》，並分別於第50屆瑞士日內瓦「國際發明展」獲得評審團嘉許金獎及於「第四屆亞洲創新發明展覽會 —— 香港」獲得全場總冠軍和金獎。

適用於不同應用場景的無線能源轉換系統硬體展示

理大電機及電子工程學系研究團隊展示其獲獎的無線能源技術成果