中新網(wǎng)西安3月22日電 (記者 阿琳娜)一根直徑僅50微米的纖維，比頭發(fā)絲還細(xì)，卻能實(shí)現(xiàn)了信號傳輸、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)測心率，也能植入體內(nèi)調(diào)控神經(jīng)。記者22日從西安電子科技大學(xué)獲悉，該校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。

　　據(jù)介紹，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)測心率、體溫、運(yùn)動狀態(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?！敝苴S磊打了個(gè)比方，“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?！?/p>

　　針對這一難題，西電團(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)?；B續(xù)制造——單次制備長度可達(dá)50米。

　　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。

　　單根纖維兼具高效信號傳輸與穩(wěn)定生物交互功能，材料間結(jié)合致密、界面清晰，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)連續(xù)性與功能協(xié)同性的“無縫集成”。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過多根纖維的扭轉(zhuǎn)組裝，構(gòu)建了多通道傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位、多參數(shù)的并行信號采集。

　　研究系統(tǒng)揭示了這一制造平臺的綜合優(yōu)勢：單纖維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多功能集成，在保持幾何緊湊性的同時(shí)兼顧了信號傳輸效率與生物界面穩(wěn)定性；在周期性機(jī)械載荷及復(fù)雜生理環(huán)境下展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性；材料體系具有良好的生物相容性，滿足植入式器件的生物安全性要求；制造工藝具備良好的可擴(kuò)展性，可實(shí)現(xiàn)從宏觀織物到微型器件的跨尺度構(gòu)建。

　　基于這一平臺，研究團(tuán)隊(duì)開展了從體外到體內(nèi)、從信號感知到能量傳輸?shù)亩鄬蛹夠?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。

　　“我們把它揉成一團(tuán)再展開，電性能幾乎沒有變化。”周赟磊介紹，“在潮濕環(huán)境下測試，它依然能穩(wěn)定驅(qū)動多組發(fā)光二極管?！?/p>

　　表皮生理監(jiān)測方面，集成纖維電極貼附于人體前臂和手腕，進(jìn)行心電和肌電信號采集。結(jié)果顯示，該電極在靜態(tài)與動態(tài)條件下均具高信號保真度：心電信號特征波形清晰，肌電信號幅值與肌肉收縮強(qiáng)度呈良好線性關(guān)系。尤其在日常活動中，該電極抗運(yùn)動偽跡能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)凝膠電極。

　　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)手勢分類識別，驗(yàn)證了其在智能人機(jī)交互、康復(fù)監(jiān)測、運(yùn)動分析及假肢控制等應(yīng)用中的潛力。

　　“這就是未來智能人機(jī)交互的雛形?！北：暾f。

　　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%。

　　基于所發(fā)展的無縫集成策略，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了功能材料在纖維尺度上的精準(zhǔn)區(qū)域布局，形成了“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—制造工藝—應(yīng)用驗(yàn)證”三位一體的完整技術(shù)閉環(huán)。

　　該平臺當(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。(完)