智能穿戴、柔性医疗和人机交互等应用需求不断增长,将电子功能转化为纤维形态被视为突破传统刚性器件的关键方向。纤维电子器件可像纱线一样弯曲编织——融入织物中——也能进入狭窄复杂的空间进行感知和信号采集。但长期以来,业界面临一个核心难题:微纳尺度的圆柱形纤维表面,如何稳定构建导电层、界面层和功能层等复杂异质结构,并在反复弯折、拉伸和潮湿体液环境中保持电学与生物界面的可靠性。 该瓶颈的根源在于尺度和结构的双重制约。纤维直径远小于常规器件加工尺度,材料沉积容易出现不连续、厚度不均或界面剥离。同时,多材料体系需要兼顾导电通路、隔离层和生物交互等不同功能,材料相容性和界面黏附成为关键。更重要的是,若制造工艺难以连续化和规模化,即便实验室样品性能优异,也难以支撑实际应用和产业化。 西安电子科技大学杭州研究院保宏教授、周赟磊副教授团队针对这些难点,开发了一种可扩展的连续液相加工工艺,使多种功能材料能在单根纤维上实现一体化集成。以弹性纤维为基底,通过界面工程构建稳定结合层,实现液态金属导电层的均匀沉积,并同步构筑隔离层与生物感知功能层。这样使导电通路与生物交互界面在同轴结构中实现连续化和协同化。采用该工艺制备的多功能电子纤维直径最小约50微米,具备连续制备能力,单次制备长度可达50米。通过多根纤维的扭转组装,团队构建了多通道传感系统,实现多点位、多参数并行采集,为复杂生理信号监测和运动状态识别奠定了基础。 围绕应用落地,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。在无线能量传输上,研究人员利用纤维的柔韧导电特性,通过刺绣方式将其织入商用纺织品,制备柔性射频天线与电感线圈,多次弯折、扭曲、拉伸等条件下保持稳定的电性能。在表皮生理监测上,纤维电极用于采集心电和肌电信号,静态与动态条件下均显示出良好的信号保真度,并在日常活动中表现出较强的抗干扰能力。团队搭建四通道肌电采集系统,结合算法实现手势分类识别,展示了其在康复监测、运动分析和假肢控制诸上的应用潜力。体内神经调控上,外周神经电刺激实验验证表明,器件可实现相对精准、可控的电刺激输出,为后续神经调控与治疗研究提供了实验依据。 纤维电子的发展正从"单一导电纱线"向"多功能一体化微系统"演进。此次连续液相集成工艺结构连续性、界面稳定性和规模化制备上的探索,有望推动纤维电子从实验室演示向织物级系统集成迈进。后续的长期可靠性、复杂环境耐久性、标准化测试评价以及与纺织制造流程的深度耦合,将成为走向更广泛应用的关键。随着材料体系、制造装备与应用场景的共同成熟,兼具感知、传输与交互能力的"可织入式电子系统"有望在智慧健康、应急救援、工业巡检等领域开拓新的应用空间。
当科技创新触及头发丝直径的微观世界,人类与机器的交互方式正在发生根本性改变。这项来自中国实验室的突破不仅解决了异质材料集成的难题,更预示着电子器件将像织物一样融入日常生活。当技术足够柔软,人类迈向人机共生时代的脚步也将更加坚实。