朱美芳院士领衔！东华大学，最新Nature Electronics！

把集成电路“纺”进纤维！一根线也能发光、处理信号、控制无人机

随着智能穿戴设备不断发展，人们对衣服的期待早已不再局限于保暖和美观。未来的智能服装或许能够感知人体动作、处理外界信息，甚至直接与机器人进行交互。然而，现有电子纺织品通常需要将芯片、传感器等电子元件安装在柔软的织物上，不仅影响穿着舒适性，还容易在反复弯折、拉伸和洗涤过程中出现连接失效。如何让纤维本身具备完整的电路功能，使电子器件真正成为织物的一部分，是智能纺织领域面临的重要挑战。

近日，东华大学朱美芳院士、王刚教授和孙恒达研究员提出了一种可编程微流控纺丝技术，将发光、信号处理、逻辑运算和非接触感知等电子功能直接集成到柔性纤维内部。通过精确控制不同功能材料的流动和排列，研究人员可以像编写程序一样，在连续纤维中构建不同的电子元件和电路模块。利用这一技术，团队成功制备了能够实现彩色显示、模拟信号处理、数字逻辑运算以及非接触控制的集成电路纤维，为未来智能纺织品和可穿戴人机交互系统提供了新的技术路径。相关成果以“Programmable spinning of integrated circuit fibres”为题发表在《Nature Electronics》上，第一作者为Fengqiang Sun。

让一根纤维变成一条完整的电路

传统电子纺织品往往需要先制备电子元件，再通过焊接、粘贴或编织等方式将它们连接起来。而这项研究采用了不同的思路：直接在纤维内部构建电子电路，让纤维既是材料载体，也是具有特定功能的电子器件。研究人员将导电材料与不同功能材料组合，设计了四类集成电路纤维模块（图1a）。其中，发光模块可以将电能转化为光能，相当于把多个彩色发光单元集成在一根纤维中（图1b）；电阻和电容模块负责处理模拟电信号（图1c）；有机电化学晶体管模块通过调控电子和离子的传输，实现数字逻辑运算（图1d）；静电准静态感知模块则利用电场变化，实现无需直接接触的感知与交互（图1e）。这些模块可以按照实际需求进行排列和组合，形成具有不同电路结构的功能纤维。与单纯在纤维表面安装电子元件不同，这种设计将电子功能直接融入纤维内部，为构建分布式智能纺织系统提供了基础。

图1：集成电路纤维的设计与工作原理

像编写程序一样，把电路“纺”出来

如何将不同功能材料精准地安排在一根纤维中？研究团队开发了一套具有五个独立输入通道的微流控纺丝系统，每个通道都可以独立调节液体流量，相当于为不同功能材料设置了专门的输送通道（图2a）。研究人员选用具有良好弹性的热塑性聚氨酯（TPU）作为纤维基体，再向其中加入导电、发光或其他功能材料。纺丝过程中，五股液流在微流控芯片内汇合，随后进入水凝固浴，通过溶剂交换逐渐固化，最终形成具有特定内部结构的柔性纤维。整个过程的关键，在于如何让不同材料按照预先设计的位置排列，而不是在流动过程中相互混合。为此，研究人员通过流体模拟分析了五股液流在芯片内部的运动过程（图2b、c）。结果表明，通过合理匹配不同纺丝液的黏度并调控流动条件，可以保持不同功能层之间相对清晰的界面，从而形成稳定的多层结构。更重要的是，研究人员可以通过程序控制不同通道的开启、关闭和流量变化，在纤维的不同位置形成不同的材料组合（图2d、e）。例如，某一段可以被设计成发光单元，另一段则可以形成其他功能结构。这意味着，研究人员不再需要先制造多个独立元件，再逐一进行组装，而是可以在连续纺丝过程中，直接将预先设计的电路结构集成到纤维内部。

图2：可编程微流控纺丝过程及流体编码模拟

一根纤维，也能实现彩色发光

在实现可编程纺丝后，研究团队首先尝试让纤维具备彩色发光能力。研究人员将红、绿、蓝三种发光材料置于两层导电材料之间，形成类似三明治的多层结构。通过调节三种发光材料的输入顺序和组合方式，可以在同一根纤维中形成不同颜色的发光单元（图3a）。实验表明，利用不同通道之间的快速切换，可以制备出具有红、绿、蓝以及多种混合颜色的发光纤维（图3b、c）。进一步地，通过连续改变不同发光材料的流量比例，还可以调节各发光层的相对厚度，实现颜色之间的平滑过渡（图3d–f）。色度测试进一步证明，该纤维能够在红、绿、蓝三原色构成的色域内实现丰富的颜色调节（图3g）。在所展示的发光纤维中，沿纤维长度方向的电子功能单元集成密度最高可达每米约425个。这种发光纤维不仅能够实现颜色调节，还具备良好的柔性和可加工性。研究人员利用它绣出了彩色图案和“东华大学”字样，并通过传统织造工艺将其制成彩色发光织物（图3h、i）。由此可见，电子纤维不再只是被动安装在衣服上的附加装置，而是可以直接参与织物的编织和图案设计，让普通纺织工艺与电子显示功能结合起来。

图3：彩色发光集成电路纤维的制备与应用

不只是发光，还能直接处理电信号

如果说彩色发光让纤维拥有了信息输出能力，那么，要让智能服装真正具备信息处理能力，还需要把电子电路中的基本功能元件集成进去。研究人员首先将电阻和电容引入纤维，通过调控导电层和介电层的排列方式，构建了具有不同连接结构的RC电路（图4a、e）。这些电路能够对输入的电信号进行处理。例如，当输入50 kHz的方波信号时，纤维中的积分电路可以将其转变为近似三角波，同时表现出低通滤波特性，能够衰减较高频率的信号（图4b–d）。另一种电路则可以将600 kHz的方波转变为交替出现的正负尖峰，并表现出高通滤波特性（图4f–h）。通俗来说，这相当于让纤维具备了初步的信号筛选和波形处理能力。在此基础上，团队进一步将有机电化学晶体管（OECT）集成到纤维内部，使其能够处理数字信号。通过在一根纤维中设置多个可独立寻址的晶体管单元，研究人员构建了分布式电子电路（图4i、j）。这些晶体管通过离子对半导体导电状态的调控实现开关功能，单个器件的最大导通电流达到37.7 mA，峰值跨导达到92.5 mS（图4k、l）。通过合理配置不同晶体管单元，纤维能够实现与门、或门等基本逻辑运算（图4m），还可以通过多个器件的逐级开启，实现多级电流输出（图4n）。值得一提的是，研究人员还将电阻、电容和晶体管集成到同一根纤维中，构建了可通过栅极电压调节的滤波电路，进一步展示了不同电子功能模块协同工作的潜力。在可靠性方面，部分集成电路纤维在反复拉伸1000次后仍能保持功能。经过防水封装的发光、电阻电容和晶体管纤维，在10次机器洗涤测试后也保持了较好的工作性能，展示出与实际纺织品结合的可能性。

图4：集成电路纤维的模拟信号处理与数字逻辑运算

不用碰，也能让纤维感知动作、控制无人机

除了发光和电信号处理，研究团队还赋予了纤维一种更加直观的能力：无需接触，就能感知物体的位置和运动。研究人员将电容发射单元和接收单元集成在同一根纤维中，制备出基于静电准静态场的非接触感知纤维（图5a、b）。其工作原理并不复杂。当手指或其他导电物体靠近纤维时，会改变周围的电容耦合关系，进而引起接收端电压变化。通过分析这种变化，就可以判断物体与纤维之间的距离（图5c）。研究人员将四根纤维排列成一个8 cm × 8 cm的正方形感知区域（图5d）。实验结果表明，该系统能够检测距离纤维约1至15 cm范围内的物体位置变化（图5e），并通过分析不同纤维接收到的信号，识别手指在上、下、左、右、前、后六个方向上的运动（图5f）。更有意思的是，研究团队将这一感知系统与外部控制程序连接，实现了通过手势控制机械臂和四旋翼无人机的运动（图5g、h）。例如，当手指在感知区域内移动时，系统会根据四根纤维检测到的信号计算手指的空间位置，再将这些信息转化为机械臂或无人机的运动指令。研究人员还将四根感知纤维安装在机械夹爪内侧，使机械臂能够实时感知并跟踪目标物体的位置（图5i）。这意味着，未来的智能手套或智能服装有望直接成为人机交互界面，通过简单的手势实现对外部设备的控制，而不必依赖传统的机械按钮或触摸屏。

图5：非接触感知纤维及其在人机交互中的应用

总结与展望

这项研究的意义，不仅在于制备出了能够发光、处理信号或感知动作的功能纤维，更在于提出了一种通过可编程纺丝直接构建电子电路的新方法。借助统一的微流控编码规则，研究人员可以根据实际需求设计不同电子功能模块，并将其集成到连续、柔软的纤维结构中，使电子器件与纺织材料之间的界限进一步模糊。当然，要将这一技术真正应用于日常智能服装，仍需解决长期使用条件下的界面稳定性、多模块之间的可靠连接、复杂电路的高密度集成，以及供电和储能等问题。但从能够显示彩色图案的织物，到能够处理电子信号、识别空间动作的纤维，这项研究已经展示出一条值得关注的发展方向：未来的衣服或许不再只是电子设备的载体，而是可以直接参与感知、计算和交互的智能系统。