从细菌生长出来的智能设备

您是否想过，您下一件智能穿戴设备可能源于一杯康普茶的微妙发酵？

在科技飞速发展的今天，智能穿戴设备——从精准监测心率、睡眠的智能手表，到追踪步数、卡路里的智能手环——正以前所未有的速度融入生活，拓展着人类感知边界，成为连接我们与数字世界的桥梁。然而，传统电子设备的刚性材料与柔软皮肤之间难以弥合的物理间隙，常常导致接触测量误差。

为了实现设备与人体曲线的完美贴合，提升数据记录的精确度，柔性电子器件——那些能弯曲、折叠、拉伸甚至变形，却仍能保持优异光电性能和可靠性的薄膜设备——的开发与应用需求正变得日益迫切。但柔性电子的发展并非没有挑战。目前常见的柔性基底，如聚乙烯醇（PVA）、聚酰亚胺（PI）等石油基聚合物，在废弃后难以自然降解，构成了环境负担。因此，寻找更具可持续性的替代材料成为关键。

在这一背景下，生物材料凭借其天然的可降解性和环境相容性脱颖而出，如壳聚糖、蚕丝、明胶等纷纷被引入柔性电子领域。其中，尤为值得注意的是细菌纤维素（BC）。

在所有类型的纤维素中，细菌纤维可由康普茶发酵产生，成本低廉、结晶度高，是理想的智能穿戴设备制造材料。这种由康普茶中的微生物在茶糖水中自然发酵生成的生物膜，因其独特的优势成为理想的可持续智能穿戴材料。

其根源即是环保的：生产过程低碳、成本低廉，废弃后可生物降解，显著减少了传统石油基材料带来的生产和废弃污染问题。

其性能更是卓越的：其纳米纤维形成的三维网络结构赋予它惊人的柔韧性和机械强度（断裂伸长率可达2800%），能够完美适应身体的各种动态活动而不会撕裂；

同时，它拥有优异的生物相容性，与皮肤长期接触不易引发刺激或过敏，特别适合敏感人群使用。

其功能还具有高度的可塑性：通过与MXene纳米片、离子液体等导电材料复合，可以大幅提升其导电性能，赋予其高灵敏度传感能力（应变系数可达15.65），足以胜任健康监测所需的精密测量。这种源自细菌的“绿色材料”，正驱动着智能穿戴乃至更广泛领域的创新：无论是用于心电、汗液葡萄糖等精准监测，贴合关节动态（如手指弯曲、呼吸起伏）；还是应用于慢性伤口电刺激治疗、术后肿瘤抑制的智能医疗；乃至开发响应速度快达74毫秒、支持无线控制的人机交互智能纺织品。

可以说，细菌纤维素凭借其绿色可降解、生物相容性强、机械性能优异三大核心优势，为未来的智能穿戴设备提供了一条融合可持续性与高性能的全新路径。

细菌纤维素在可穿戴物理传感领域的应用

细菌纤维素作为基底材料与活性材料结合，目前已在传感器和能量存储相关领域得到广泛应用。多孔网络结构有利于活性材料在细菌纤维素上的渗透和结合，拓宽了其应用，并为柔性传感器的发展提供了新的可能。

心率监测器

利用纳米纤维素印刷电路板工艺，可以将电子元件与纳米纤维素结合制作出更为精密准确的脉搏监测器。上图展示了心率监测器的工作流程。为了测量被测试者的心跳，需将反射式脉搏检测器的纳米纤维素组件轻轻地湿润并层压到被测试者的手指上，干燥后，纳米纤维素会紧紧地贴在皮肤上，将电子元件密封在皮肤表面，提高了测量的精度。下图为使用纳米纤维素脉搏检测器的测试结果，我们可以清楚地看见被测试者的平均心率为72bpm。

细菌纤维素以其独特的生物传感特性可作为压力传感器的创新载体，用来敏锐捕捉关节弯曲、足部承重、坐姿压力分布等细微变化，为人体运动监测开辟新路径。

英国西英格兰大学非传统计算实验室主任安德鲁·阿达玛兹基（Andrew Adamatzky）教授团队在2022年的突破性实验，生动诠释了细菌纤维素在生物传感器方面的潜力。

研究人员将覆有聚氯乙烯（PVC）触点的棉质手套浸入富含醋酸杆菌的红葡萄酒培养液，借助微生物的天然合成能力，仅需三天时间，就能在手套表面培育出一层光滑致密的红葡萄酒色水凝胶——这便是兼具生物活性与传感功能的细菌纤维素膜。

研究者记录并分析了由细菌群体产生的尖峰电活动。作为一种生物可穿戴设备，细菌纤维素手套对机械刺激，特别是与压力和触觉相关的物理信号能做出准确的反应，通过分析这些信号，可以了解使用者的手部运动模式、力度控制，还能为肌肉疲劳、关节健康等状态评估提供数据支撑。

细菌手套的培养过程也比较简单：

把消毒处理、带有pvc触点的棉手套浸泡在带有醋酸杆菌的红酒内；

在28℃以上环境下静置三天，待光滑的红葡萄酒色水凝胶状初代纤维素膜成型后，取出修剪，再放回培养液继续生长；

新生成的纤维素层会自然与原有膜体融合，最终形成完整的生物传感载体。

细菌纤维素反应手套

2023年，法国未来技术研究所（DVIC）研究员Madalina Nicolae携手团队，成功研发出三款创新性交互设备原型——BioHybrid Device。

该系列设备以细菌纤维素为生物基底，通过在其生长周期中嵌入导电元件、传感器及输出组件，构建出可变形、可穿戴且具备人机交互功能的生物界面。

这一突破不仅打破了生物有机体与人工器械的传统界限，更开创了“可生长设计”（Growing Design）的制造范式：以生物自然代谢过程替代传统合成材料的加工制造，使技术载体通过“生长”而非“建造”成型。

利用细菌纤维素的生长特性，Madalina Nicolae将电子元件在细菌纤维素的不同生长过程中植入。

这种创新型分阶段植入体系分三种情况：

1、生长阶段植入：在湿润态细菌纤维素基质中嵌入碳基导电网络（如石墨烯导线），借助材料的高延展性与生物相容性，实现电子网络与纤维素生长过程的原位融合；

2. 干燥阶段植入：通过精确调控湿度梯度引导材料定向收缩，同步嵌入刚性压力传感器，实现力学性能与结构形态的精准匹配；

3. 固化后植入：在细菌纤维素固化基质表面集成LED、振动马达等输出组件，构建完整的闭环交互系统。

在这个过程中，细菌纤维素特有的弱酸性环境（pH≈4.0）构成关键挑战：湿润状态下铜、锡、银等金属元件易发生化学腐蚀。为此，团队提出生物封装策略——采用蜂蜡或壳聚糖涂层对金属元件进行隔离封装，或直接选用碳基功能材料替代金属体系，从材料本质上规避腐蚀风险。

该方案不仅解决了跨材料兼容性难题，更凸显了生物混合系统设计中材料科学与生物学交叉融合的学科本质。

细菌纤维素胸甲是美国科罗拉多大学Living matter lab于2022年制作的可触摸式交互穿戴胸甲，胸甲整体由细菌纤维素历时13周缓慢培育而成。佩戴时，嵌入胸甲的 LED 会根据佩戴者被拥抱、轻拍或刷洗的动作发出不同的光响应。触摸的力度越大，光线越亮。

为了让细菌纤维素更好地贴合佩戴者，Living matter lab在人体模型上先后覆盖了四层细菌纤维素片。第一层和第二层细菌纤维素塑造了胸甲的造型，并加强了胸甲的核心形状。

在第二层制作完成后，研究人员将防水LED灯贴在了胸甲上并用第三层细菌纤维素片将其覆盖。第四层是导电混合层和装饰层。研究人员每一层都使用了湿片，让细菌纤维素干燥后自己贴合。

从生长设计到产品设计，细菌纤维素能够参与到设计的每一个环节，利用细菌纤维素的不同特性，我们能创造出更可持续化、更高效、更智能的可穿戴交互设备。

我们有理由期待，随着与电子技术、材料科学等学科领域的进一步融合，这一源于自然的智慧材料将在医疗电子、环境友好型电子皮肤等前沿领域释放出更为巨大的潜力，真正实现科技与生命的和谐共生。

References:

https://cinte.com.cn/content/?423.html

https://www.mdpi.com/1424-8220/20/7/2047

https://www.researchgate.net/publication/360225799_Living_wearables_Bacterial_reactive_glove

https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3586183.3606774

https://www.colorado.edu/atlas/scoby-breastplate

来源：as科学艺术研究中心

编辑：4925

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