“在头发丝上建高楼”!50微米智能纤维未来医疗与人机交互新可能
一根细过发丝的纤维，正在编织一个智能互联的未来:直径仅50微米的它，既能传输信号、感知数据，又能传递能量，柔软如丝、可弯可编。把它织进衣服，就能实时监测心率;把它植入体内，还能精准调控神经。
近日，西安电子科技大学团队在异质纤维电子器件领域取得重要突破，成功将多种功能材料集成在单根超细纤维上，为生物电子医学和智能人机交互打开了一扇新大门。
从普通织布线变身微型智能线
单根纤维电子器件，是把电子功能做在超细纤维上的新型技术。和传统硬邦邦的电子元件相比，它更轻、更软、能弯曲、还能像线一样编织，既可以和布料完美结合，也能在狭小、复杂的环境里完成感知和信号采集。简单地说，它不再只是用来织布的线，而是一个微型智能器件，能感知环境、处理信息、作出反馈，用它做成的智能服装，可以随时监测心率、体温、运动状态，甚至环境变化。
但想在这么细的纤维表面做出导电层、保护层等复杂结构，还要保证功能稳定，一直是行业难题。西安电子科技大学杭州研究院副教授周赟磊打了个形象的比方:“就像在一根头发丝上建一座功能齐全的小楼，每一层材料都要铺得均匀、黏得牢固，而且这根‘头发’还要能随便弯、随便拉。”
为此，团队研发出一套连续液相加工工艺，在纤维表面精准做出液态金属导电层和生物感知功能层，让一根纤维同时具备信号传输、传感监测、电刺激等多种功能。用这种方法做出的多功能电子纤维，最细只有50微米，还能规模化连续生产，一次就能拉出50米长。
“当看到完整的功能纤维连续不断地生产出来时，我们整个团队都非常振奋。”周赟磊说。
以多层叠加实现无缝一体集成
这项技术最核心的创新，是一套层层沉积的连续液相集成制造方法。研究团队以弹性纤维为基础，通过界面处理让材料结合更牢固，再均匀镀上液态金属，同时做好惰性保护层，让导电线路和生物交互界面在同一根纤维上完美融合。
最终，单根纤维既能高效传输信号，又能稳定与生物组织交互，各层材料结合紧密、结构清晰，真正实现了结构和功能的“无缝集成”。团队还把多根纤维拧合在一起，做成多通道传感系统，可同时采集多个位置、多种类型的数据。
这套技术平台优势十分突出:单根纤维就集成多种功能，体积小巧、传输效率高、生物界面稳定;在反复弯折、拉伸和复杂生理环境下，电学性能依然可靠;所用材料生物相容性好，满足植入体内的安全要求;制造工艺扩展性强，既能做成织物，也能做成微型器件。
从体外穿戴监测到体内精准调控
基于这一技术，团队从体外到体内、从感知到能量传输，开展了多场景应用验证。
在无线能量传输方面，研究人员把这种纤维绣进普通布料，做成柔性天线和电感线圈。经过反复弯折、扭曲、拉伸，甚至揉成一团再展开，它的电阻变化远小于传统金属线，电学性能几乎不受影响。在潮湿环境下，它也能稳定点亮多组LED灯。
在人体表面监测方面，团队把纤维电极贴在手腕、手臂上采集心电、肌电信号。结果显示，不管是静止还是活动状态，信号都清晰保真，心电波形完整，肌电信号强弱和肌肉收缩程度高度对应。在日常活动中，它抗干扰能力明显优于传统凝胶电极。
研究团队还搭建了四通道肌电采集系统，结合机器学习实现手势识别，在智能人机交互、康复监测、运动分析、假肢控制等场景都展现出巨大潜力。“这就是未来人机交互的雏形。”保宏教授说。
在体内神经调控实验中，团队将超细纤维植入大鼠坐骨神经周围进行电刺激。实验显示，器件可以精准、稳定地调节神经，在不同频率和强度下，都能让大鼠后肢肌肉规律收缩，刺激成功率接近100%。“看着大鼠后腿跟着电刺激节奏一动一动，我们真切感受到，这项研究正在和生命对话。”博士生袁江南说。
采访中记者了解到，该团队依托无缝集成技术实现纤维功能材料精准布局，形成“结构设计—制造工艺—应用验证”三位一体技术体系;该成果已在外周神经调控领域得到验证，未来可应用于脑机接口、脊髓刺激、可穿戴监测等前沿领域，在智能软件系统中同样潜力广阔，以柔性超细纤维打通体外监测与体内诊疗，勾勒出智能医疗与人机共生新图景。
