【研究背景】

光纖電子學(xué)為建立分布式人體傳感網(wǎng)絡(luò)提供了可行性，特別是在摩擦電纖維技術(shù)的應(yīng)用中。然而，由于生理信號的微小振幅和個體差異，實現(xiàn)能夠監(jiān)測微生理活動的光纖電子技術(shù)仍具挑戰(zhàn)性。低功耗和自供電傳感器對開發(fā)分布式可穿戴設(shè)備至關(guān)重要，但目前的纖維傳感研究更關(guān)注高應(yīng)變可拉伸性，而對微彎曲變形的高靈敏度關(guān)注較少。相比人造傳感器，生物感知系統(tǒng)具備卓越的微變形感知能力，包括超低閾值檢測（0.1 mm?1的微小變化）和高靈敏度（可感知10-100微米范圍的變形）。這些系統(tǒng)通過獨特的結(jié)構(gòu)和信號反饋機制，適應(yīng)環(huán)境刺激并動態(tài)調(diào)整功能。生物受體的特性，如增加刺激接觸面積和對弱電場變化的敏感性，為高靈敏度信號傳輸提供支持。受其啟發(fā)，復(fù)制這些機制可開發(fā)出更靈敏的傳感器，用于生理信號監(jiān)測和人體健康追蹤。

鑒于此，東華大學(xué)王宏志教授&侯成義研究員課題組在"Nature Communications"期刊上發(fā)表了題為“Triboelectric micro-flexure-sensitive fiber electronics ”的最新論文。作者受觸覺小體啟發(fā)，開發(fā)了一種基于納米纖維屈曲（NB）的微型彎曲敏感纖維，通過構(gòu)建高特異性摩擦界面、最大化界面間隙、增強電場響應(yīng)，實現(xiàn)了超高靈敏度（可檢測超低曲率0.1 mm?1的信號，彎曲因子>21.8%）和優(yōu)異魯棒性（循環(huán)次數(shù)>10,000）。該纖維結(jié)合了靈活性和靈敏度，能夠監(jiān)測肌肉力量、姿勢和力反饋，使其成為開發(fā)可穿戴生物力學(xué)反饋系統(tǒng)的理想選擇，顯著提高肌肉力量控制的精度。

【文章亮點】

創(chuàng)新方法：

提出納米纖維屈曲（NB-fiber）制備微彎曲敏感電子纖維的新方法。

通過高比表面摩擦界面和最大化摩擦間隙的設(shè)計，大幅提升靈敏度。

實現(xiàn)了超低曲率（0.1 mm?1）信號檢測，并在10°彎曲范圍內(nèi)達到>21.8%的高彎曲系數(shù)。

技術(shù)應(yīng)用：

開發(fā)人體穴位映射與肌群力量監(jiān)測的軟件，展示了NB纖維的多功能性和應(yīng)用廣度。

在康復(fù)治療中實時監(jiān)測肌肉活動與力量，優(yōu)化患者的治療效果。

【圖文解讀】

圖1 NB纖維的設(shè)計原理和連續(xù)制備。a 左圖：生物皮膚中機械結(jié)構(gòu)和感覺傳導(dǎo)結(jié)合的示意圖，標(biāo)記觸覺小體（敏感觸覺）的裂隙空間和層狀細胞對外部機械刺激的放大和轉(zhuǎn)換過程。右圖：用于人造微彎曲傳感器的e-纖維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。b 先進纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計在各種角度變形下摩擦間隙比較，包括軸向涂層、螺旋纏繞、芯-紡結(jié)構(gòu)、費馬螺旋、內(nèi)置螺旋和NB結(jié)構(gòu)。c 基于共軛靜電紡絲的NB纖維連續(xù)可擴展生產(chǎn)的示意圖。（i）NB纖維在不同制備步驟中的幾何模型；（ii）分子鏈轉(zhuǎn)化；（iii）NB纖維在卷取輥上的收集。d 具有粗糙度統(tǒng)計的NB纖維的超深3D顯微鏡圖像，e 從原始狀態(tài)到521μm(-1)的褶皺結(jié)構(gòu)動態(tài)穩(wěn)定性彎曲。（比例尺：1毫米）。

視頻 1

圖2 NB纖維的工作機理和電機械性能。aNB纖維中電離子傳導(dǎo)的摩擦電機理。b 圖像展示了NB纖維在初始狀態(tài)和彎曲狀態(tài)下的測試設(shè)置。比例尺：2厘米。c NB纖維與各種纖維結(jié)構(gòu)的靈敏度比較。d 本研究與文獻中提出的最新研究結(jié)果進行了靈敏度比較，對在相同刺激下信號幅度變化率歸一化。e NB纖維的彎曲疲勞測試。

圖3 NB光纖在微生理診斷中的前景。a 示意圖展示了光纖傳感器在上肢動脈和肌肉群上的放置位置，以及用于監(jiān)測肌肉和動脈收縮與舒張的檢測原理。b 描繪了人體內(nèi)微觀生理活動，并對各種組織的變形范圍進行了統(tǒng)計分析。c 介紹了NB光纖用于脈搏檢測的摩擦靜電機理。d 解釋并展示了運動和休息期間提取的脈搏波形。e 分析了不同狀態(tài)下（包括休息、步行和奔跑）的各種參數(shù)，如增強指數(shù)（AIx）、射血時間和脈搏波形頻率。頂部顯示了通過傅立葉變換分析獲得的脈搏頻率變化。f 通過Poincaré圖展示了一個22歲男性30秒持續(xù)時間的脈搏檢測。g 在不同運動狀態(tài)下測量了與肌肉力量對應(yīng)的電信號幅度。h 用于脈搏和呼吸監(jiān)測的傳感器示意圖。i 不同狀態(tài)下的呼吸波形。

圖4NB紡織品在生物力學(xué)反饋中的應(yīng)用。a 示意圖展示了NB紡織品的編織過程，示例了交替使用NB纖維和棉線作為經(jīng)緯線的交織技術(shù)。b 使用商用織機編織的平紋結(jié)構(gòu)的NB紡織品的顯微照片（上），而拉伸變形下的NB紡織品的照片展示了極小的可見變形（下）。c 測試洗滌性能，插圖展示了使用商業(yè)液體洗滌劑在洗衣機中清洗NB紡織品的數(shù)字照片。d 提出了一種用于被動感應(yīng)陣列讀出的改進隔離電路架構(gòu)。e 動態(tài)路徑識別涉及形成感應(yīng)經(jīng)線與緯線交叉形成的單元。施加壓力后，NB纖維的曲率發(fā)生變化（i）路徑過程（ii）和相應(yīng)的電信號（iii）。f 展示了人體經(jīng)絡(luò)按摩時的壓力分布。g 展示了NB紡織品監(jiān)測肌肉力量的能力。h 分析了不同手勢下肌肉群的力量。

視頻 3

視頻 4

【參考文獻】

Lin S, Yang W, Zhu X, Lan Y, Li K, Zhang Q, Li Y, Hou C, Wang H. Triboelectric micro-flexure-sensitive fiber electronics. Nat Commun. 2024 Mar 15;15(1):2374. doi: 10.1038/s41467-024-46516-0. PMID: 38490979; PMCID: PMC10943239.

審核編輯 黃宇