【研究背景】

光纖電子學為建立分布式人體傳感網絡提供了可行性，特別是在摩擦電纖維技術的應用中。然而，由于生理信號的微小振幅和個體差異，實現能夠監測微生理活動的光纖電子技術仍具挑戰性。低功耗和自供電傳感器對開發分布式可穿戴設備至關重要，但目前的纖維傳感研究更關注高應變可拉伸性，而對微彎曲變形的高靈敏度關注較少。相比人造傳感器，生物感知系統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）。這些系統通過獨特的結構和信號反饋機制，適應環境刺激并動態調整功能。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，復制這些機制可開發出更靈敏的傳感器，用于生理信號監測和人體健康追蹤。

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

【文章亮點】

創新方法：

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計，大幅提升靈敏度。

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

技術應用：

開發人體穴位映射與肌群力量監測的軟件，展示了NB纖維的多功能性和應用廣度。

在康復治療中實時監測肌肉活動與力量，優化患者的治療效果。

【圖文解讀】

圖1 NB纖維的設計原理和連續制備。a 左圖：生物皮膚中機械結構和感覺傳導結合的示意圖，標記觸覺小體（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換過程。右圖：用于人造微彎曲傳感器的e-纖維系統結構示意圖。b 先進纖維結構設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-紡結構、費馬螺旋、內置螺旋和NB結構。c 基于共軛靜電紡絲的NB纖維連續可擴展生產的示意圖。（i）NB纖維在不同制備步驟中的幾何模型；（ii）分子鏈轉化；（iii）NB纖維在卷取輥上的收集。d 具有粗糙度統計的NB纖維的超深3D顯微鏡圖像，e 從原始狀態到521μm(-1)的褶皺結構動態穩定性彎曲。（比例尺：1毫米）。

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圖2 NB纖維的工作機理和電機械性能。aNB纖維中電離子傳導的摩擦電機理。b 圖像展示了NB纖維在初始狀態和彎曲狀態下的測試設置。比例尺：2厘米。c NB纖維與各種纖維結構的靈敏度比較。d 本研究與文獻中提出的最新研究結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，以及用于監測肌肉和動脈收縮與舒張的檢測原理。b 描繪了人體內微觀生理活動，并對各種組織的變形范圍進行了統計分析。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 分析了不同狀態下（包括休息、步行和奔跑）的各種參數，如增強指數（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秒持續時間的脈搏檢測。g 在不同運動狀態下測量了與肌肉力量對應的電信號幅度。h 用于脈搏和呼吸監測的傳感器示意圖。i 不同狀態下的呼吸波形。

圖4NB紡織品在生物力學反饋中的應用。a 示意圖展示了NB紡織品的編織過程，示例了交替使用NB纖維和棉線作為經緯線的交織技術。b 使用商用織機編織的平紋結構的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液體洗滌劑在洗衣機中清洗NB紡織品的數字照片。d 提出了一種用于被動感應陣列讀出的改進隔離電路架構。e 動態路徑識別涉及形成感應經線與緯線交叉形成的單元。施加壓力后，NB纖維的曲率發生變化（i）路徑過程（ii）和相應的電信號（iii）。f 展示了人體經絡按摩時的壓力分布。g 展示了NB紡織品監測肌肉力量的能力。h 分析了不同手勢下肌肉群的力量。

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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