中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 王冠玉 記者 馮麗）一根直徑僅50微米的纖維，比頭發(fā)絲還細(xì)，卻實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸、傳感感知、能量傳輸?shù)榷喾N功能。它柔軟如絲，可彎曲編織，既能織入衣物監(jiān)測(cè)心率，也能植入體內(nèi)調(diào)控神經(jīng)。近日，西安電子科技大學(xué)杭州研究院保宏教授、周赟磊副教授團(tuán)隊(duì)在異質(zhì)纖維電子器件制造領(lǐng)域取得突破，提出了一種可擴(kuò)展的連續(xù)液相加工工藝，實(shí)現(xiàn)多種功能材料在單根纖維上的一體化集成。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·通訊》(Nature Communication)上。

單根纖維電子器件，是一類將電子功能集成在微納尺度纖維材料上的新型電子技術(shù)。與傳統(tǒng)剛性電子器件相比，它具有柔軟、輕薄、可彎曲、可編織等特性，既可以與紡織品深度融合，也能應(yīng)用于狹窄或復(fù)雜空間的感知與信號(hào)采集。通俗地說，它是一根比頭發(fā)絲還細(xì)的線，但已不再只是用于織布的線——而是一個(gè)能夠感知環(huán)境、處理信息并進(jìn)行反饋的微型電子器件，進(jìn)一步可以制造出能夠監(jiān)測(cè)心率、體溫、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)甚至環(huán)境變化的智能服裝。

然而，在微納尺度的圓柱形纖維表面，如何構(gòu)建導(dǎo)電層、惰性層等復(fù)雜異質(zhì)功能結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電子功能化，一直是該領(lǐng)域的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。“你可以想象一下，要在頭發(fā)絲上建一座功能齊全的高樓。每一層材料都要均勻分布，每一層之間還要緊密結(jié)合，而且這根頭發(fā)絲還要能隨意彎曲、拉伸。”周赟磊打比方說這一設(shè)計(jì)的原理及現(xiàn)實(shí)難度。

針對(duì)這一難題，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種連續(xù)液相加工工藝，能夠在纖維表面按需構(gòu)建液態(tài)金屬導(dǎo)電層與生物感知功能層，賦予纖維信號(hào)傳輸、傳感以及電刺激等多種功能。通過該方法制備的多功能電子纖維，直徑最小可達(dá)50微米，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化連續(xù)制造——單次制備長(zhǎng)度可達(dá)50米。

據(jù)介紹，這項(xiàng)技術(shù)的核心創(chuàng)新，在于一種基于層層沉積的連續(xù)液相集成制造策略。研究團(tuán)隊(duì)以彈性纖維為基底，通過界面工程構(gòu)建穩(wěn)定的材料結(jié)合層，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的均勻沉積，并同步完成惰性界面層的構(gòu)筑，使導(dǎo)電通路與生物交互界面在同軸結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)一體化集成。

基于這一平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)開展了從體外到體內(nèi)、從信號(hào)感知到能量傳輸?shù)亩鄬蛹?jí)驗(yàn)證。無線能量傳輸方面，團(tuán)隊(duì)利用集成纖維的柔韌性和導(dǎo)電性，通過刺繡工藝織入商用紡織品，制備柔性射頻天線和電感線圈。在反復(fù)彎折、扭曲、拉伸等復(fù)雜機(jī)械變形下，織物電性能穩(wěn)定，電阻變化遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線。

表皮生理監(jiān)測(cè)方面，集成纖維電極貼附于人體前臂和手腕，進(jìn)行心電和肌電信號(hào)采集。結(jié)果顯示，該電極在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下均具高信號(hào)保真度：心電信號(hào)特征波形清晰，肌電信號(hào)幅值與肌肉收縮強(qiáng)度呈良好線性關(guān)系。

同時(shí)，進(jìn)一步構(gòu)建的四通道肌電采集系統(tǒng)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可實(shí)現(xiàn)手勢(shì)分類識(shí)別，驗(yàn)證了其在智能人機(jī)交互、康復(fù)監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)分析及假肢控制等應(yīng)用中的潛力。

體內(nèi)神經(jīng)調(diào)控方面，集成纖維植入大鼠坐骨神經(jīng)外周，開展電刺激實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，器件可對(duì)外周神經(jīng)進(jìn)行精準(zhǔn)、可控調(diào)節(jié)，在不同頻率和強(qiáng)度下誘發(fā)穩(wěn)定、可重復(fù)的后肢肌肉收縮，刺激成功率接近100%。

據(jù)介紹，該平臺(tái)當(dāng)前已驗(yàn)證其在外周神經(jīng)調(diào)控中的可行性，未來有望拓展至腦機(jī)接口、脊髓刺激及可穿戴健康監(jiān)測(cè)等生物電子醫(yī)學(xué)前沿領(lǐng)域，同時(shí)在智能軟體系統(tǒng)等新興方向上也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。