我国科研团队“在头发丝上建高楼”

中青报·中青网记者 孙海华 通讯员 王冠玉

一根直径仅50微米、比头发丝还细的纤维，却能实现信号传输、传感感知、能量传输等多种功能。近日，西安电子科技大学杭州研究院保宏教授、周赟磊副教授团队在异质纤维电子器件制造领域取得突破，提出了一种可扩展的连续液相加工工艺，实现多种功能材料在单根纤维上的一体化集成。相关成果发表在《自然·通讯》上。

从“织布线”到“智能线”

单根纤维电子器件，是一类将电子功能集成在微纳尺度纤维材料上的新型电子技术。与传统刚性电子器件相比，它具有柔软、轻薄、可弯曲、可编织等特性，既可以与纺织品深度融合，也能应用于狭窄或复杂空间的感知与信号采集。

通俗地说，它是一根比头发丝还细的线，但已不再只是用于织布的线，而是一个能够感知环境、处理信息并进行反馈的微型电子器件，进一步可以制造出能够监测心率、体温、运动状态甚至环境变化的智能服装。

功能一体化纤维设计与制造图解。西安电子科技大学/供图

然而，在微纳尺度的圆柱形纤维表面，如何构建导电层、惰性层等复杂异质功能结构并实现稳定的电子功能化，一直是该领域的一项挑战。

“你可以想象一下，要在头发丝上建一座功能齐全的高楼。”周赟磊打了个比方：每一层材料都要均匀分布，每一层之间还要紧密结合，而且这根头发丝还要能随意弯曲、拉伸。

针对这一难题，团队设计了一种连续液相加工工艺，能够在纤维表面按需构建液态金属导电层与生物感知功能层，赋予纤维信号传输、传感以及电刺激等多种功能。

通过这种方法制备的多功能电子纤维，直径最小可达50微米，并实现规模化连续制造——单次制备长度可达50米。

“无缝集成”的技术密码

这项技术的核心创新，在于其独特的制造策略。研究团队以弹性纤维为基底，通过界面工程构建稳定的材料结合层，实现液态金属的均匀沉积，并同步完成惰性界面层的构筑，使导电通路与生物交互界面在同轴结构中实现一体化集成。

通过多根纤维的扭转组装，团队进一步构建了多通道传感系统，实现多点位、多参数的并行信号采集。

基于这一平台，研究团队开展了从体外到体内、从信号感知到能量传输的多层级验证。

表皮生理监测图示。西安电子科技大学/供图

在无线能量传输方面，团队利用集成纤维的柔韧性和导电性，通过刺绣工艺将其织入商用纺织品，制备柔性射频天线和电感线圈。在反复弯折、扭曲、拉伸等复杂机械变形下，织物电性能稳定，电阻变化远低于传统金属导线。

“我们把它揉成一团再展开，电性能几乎没有变化。”周赟磊介绍，在潮湿环境下测试，它依然能稳定驱动多组发光二极管。

在表皮生理监测方面，将集成纤维电极贴附于人体前臂和手腕，进行心电和肌电信号采集。结果显示，该电极在静态与动态条件下均具高信号保真度。日常活动中，该电极抗运动伪迹能力也明显优于传统凝胶电极。

“进一步构建的四通道肌电采集系统，结合机器学习算法可实现手势分类识别，验证了这项技术在智能人机交互、康复监测、运动分析及假肢控制等应用中的潜力。”保宏表示，“这就是未来智能人机交互的雏形。”

在体内神经调控方面，研究人员将集成纤维植入大鼠坐骨神经外周开展电刺激实验。结果显示：器件可对外周神经进行精准、可控调节，在不同频率和强度下诱发稳定、可重复的后肢肌肉收缩，刺激成功率接近100%。

“看着大鼠的后肢随着电刺激节奏性地收缩，我们真切感受到，这项研究正在与生命对话。”博士生袁江南说。

从技术突破到未来图景

从可穿戴健康监测到植入式神经调控，这一突破正为生物电子医学和智能人机交互打开一扇新的大门。

团队成员合影（右四：保宏教授；左四：周赟磊副教授）。西安电子科技大学/供图

据介绍，目前该平台已验证其在外周神经调控中的可行性，未来有望拓展至脑机接口、脊髓刺激及可穿戴健康监测等生物电子医学前沿领域。同时，其在智能软体系统等新兴方向上也展现出广阔的应用潜力。

来源：中国青年报客户端