研究一种基于纳米纤维屈曲的微型弯曲敏感纤维

【研究背景】

光纤电子学为建立分布式人体传感网络提供了可行性，特别是在摩擦电纤维技术的应用中。然而，由于生理信号的微小振幅和个体差异，实现能够监测微生理活动的光纤电子技术仍具挑战性。低功耗和自供电传感器对开发分布式可穿戴设备至关重要，但目前的纤维传感研究更关注高应变可拉伸性，而对微弯曲变形的高灵敏度关注较少。相比人造传感器，生物感知系统具备卓越的微变形感知能力，包括超低阈值检测（0.1 mm⁻¹的微小变化）和高灵敏度（可感知10-100微米范围的变形）。这些系统通过独特的结构和信号反馈机制，适应环境刺激并动态调整功能。生物受体的特性，如增加刺激接触面积和对弱电场变化的敏感性，为高灵敏度信号传输提供支持。受其启发，复制这些机制可开发出更灵敏的传感器，用于生理信号监测和人体健康追踪。

鉴于此，东华大学王宏志教授&侯成义研究员课题组在"Nature Communications"期刊上发表了题为“Triboelectric micro-flexure-sensitive fiber electronics ”的最新论文。作者受触觉小体启发，开发了一种基于纳米纤维屈曲（NB）的微型弯曲敏感纤维，通过构建高特异性摩擦界面、最大化界面间隙、增强电场响应，实现了超高灵敏度（可检测超低曲率0.1 mm⁻¹的信号，弯曲因子>21.8%）和优异鲁棒性（循环次数>10,000）。该纤维结合了灵活性和灵敏度，能够监测肌肉力量、姿势和力反馈，使其成为开发可穿戴生物力学反馈系统的理想选择，显著提高肌肉力量控制的精度。

【文章亮点】

创新方法：

提出纳米纤维屈曲（NB-fiber）制备微弯曲敏感电子纤维的新方法。

通过高比表面摩擦界面和最大化摩擦间隙的设计，大幅提升灵敏度。

实现了超低曲率（0.1 mm⁻¹）信号检测，并在10°弯曲范围内达到>21.8%的高弯曲系数。

技术应用：

开发人体穴位映射与肌群力量监测的软件，展示了NB纤维的多功能性和应用广度。

在康复治疗中实时监测肌肉活动与力量，优化患者的治疗效果。

【图文解读】

图1 NB纤维的设计原理和连续制备。a 左图：生物皮肤中机械结构和感觉传导结合的示意图，标记触觉小体（敏感触觉）的裂隙空间和层状细胞对外部机械刺激的放大和转换过程。右图：用于人造微弯曲传感器的e-纤维系统结构示意图。b 先进纤维结构设计在各种角度变形下摩擦间隙比较，包括轴向涂层、螺旋缠绕、芯-纺结构、费马螺旋、内置螺旋和NB结构。c 基于共轭静电纺丝的NB纤维连续可扩展生产的示意图。（i）NB纤维在不同制备步骤中的几何模型；（ii）分子链转化；（iii）NB纤维在卷取辊上的收集。d 具有粗糙度统计的NB纤维的超深3D显微镜图像，e 从原始状态到521μm(-1)的褶皱结构动态稳定性弯曲。（比例尺：1毫米）。

视频 1

图2 NB纤维的工作机理和电机械性能。aNB纤维中电离子传导的摩擦电机理。b 图像展示了NB纤维在初始状态和弯曲状态下的测试设置。比例尺：2厘米。c NB纤维与各种纤维结构的灵敏度比较。d 本研究与文献中提出的最新研究结果进行了灵敏度比较，对在相同刺激下信号幅度变化率归一化。e NB纤维的弯曲疲劳测试。

图3 NB光纤在微生理诊断中的前景。a 示意图展示了光纤传感器在上肢动脉和肌肉群上的放置位置，以及用于监测肌肉和动脉收缩与舒张的检测原理。b 描绘了人体内微观生理活动，并对各种组织的变形范围进行了统计分析。c 介绍了NB光纤用于脉搏检测的摩擦静电机理。d 解释并展示了运动和休息期间提取的脉搏波形。e 分析了不同状态下（包括休息、步行和奔跑）的各种参数，如增强指数（AIx）、射血时间和脉搏波形频率。顶部显示了通过傅立叶变换分析获得的脉搏频率变化。f 通过Poincaré图展示了一个22岁男性30秒持续时间的脉搏检测。g 在不同运动状态下测量了与肌肉力量对应的电信号幅度。h 用于脉搏和呼吸监测的传感器示意图。i 不同状态下的呼吸波形。

图4NB纺织品在生物力学反馈中的应用。a 示意图展示了NB纺织品的编织过程，示例了交替使用NB纤维和棉线作为经纬线的交织技术。b 使用商用织机编织的平纹结构的NB纺织品的显微照片（上），而拉伸变形下的NB纺织品的照片展示了极小的可见变形（下）。c 测试洗涤性能，插图展示了使用商业液体洗涤剂在洗衣机中清洗NB纺织品的数字照片。d 提出了一种用于被动感应阵列读出的改进隔离电路架构。e 动态路径识别涉及形成感应经线与纬线交叉形成的单元。施加压力后，NB纤维的曲率发生变化（i）路径过程（ii）和相应的电信号（iii）。f 展示了人体经络按摩时的压力分布。g 展示了NB纺织品监测肌肉力量的能力。h 分析了不同手势下肌肉群的力量。

视频 3

视频 4

【参考文献】

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.

审核编辑 黄宇