西电团队在异质纤维电子器件制造领域取得突破

中新网西安3月22日电(记者阿琳娜)一根直径仅50微米的纤维，比头发丝还细，却能实现了信号传输、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。记者22日从西安电子科技大学获悉，该校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。

据介绍，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。”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，西电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。

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。

单根纤维兼具高效信号传输与稳定生物交互功能，材料间结合致密、界面清晰，实现了结构连续性与功能协同性的“无缝集成”。团队进一步通过多根纤维的扭转组装，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。

研究系统揭示了这一制造平台的综合优势：单纤维结构实现了多功能集成，在保持几何紧凑性的同时兼顾了信号传输效率与生物界面稳定性；在周期性机械载荷及复杂生理环境下展现出优异的电学稳定性与环境适应性；材料体系具有良好的生物相容性，满足植入式器件的生物安全性要求；制造工艺具备良好的可扩展性，可实现从宏观织物到微型器件的跨尺度构建。

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。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。

“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。”

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。尤其在日常活动中，该电极抗运动伪迹能力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。

“这就是未来智能人机交互的雏形。”保宏说。

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%。

基于所发展的无缝集成策略，研究团队实现了功能材料在纤维尺度上的精准区域布局，形成了“结构设计—制造工艺—应用验证”三位一体的完整技术闭环。

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。(完)