西安电子科技大学团队“在头发丝上建高楼”

中国教育报-中国教育新闻网讯（通讯员 王冠玉 记者 冯丽）一根直径仅50微米的纤维，比头发丝还细，却实现信号传输、传感感知、能量传输等多种功能。它柔软如丝，可弯曲编织，既能织入衣物监测心率，也能植入体内调控神经。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。相关成果发表在国际顶级期刊《自然·通讯》(Nature Communication)上。

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。

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。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。”周赟磊打比方说这一设计的原理及现实难度。

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

据介绍，这项技术的核心创新，在于一种基于层层沉积的连续液相集成制造策略。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。

基于这一平台，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。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。

表皮生理监测方面，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：心电信号特征波形清晰，肌电信号幅值与肌肉收缩强度呈良好线性关系。

同时，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，验证了其在智能人机交互、康复监测、运动分析及假肢控制等应用中的潜力。

体内神经调控方面，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%。

据介绍，该平台当前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，同时在智能软体系统等新兴方向上也展现出广阔的应用潜力。

作者：王冠玉 冯丽