历时5年攻关，中国科研团队在《Nature》发表柔性传感器重大突破成果！-电子发烧友网

昨日（9月17日），DeepSeek-AI团队梁文锋及其同事在《自然》（《Nature》）杂志上发表了开源人工智能（AI）模型DeepSeek-R1所采用的大规模推理模型训练方法相关论文，正面回应DeepSeek-R1蒸馏质疑，登上《自然》杂志封面，引发中国及全球产业界关注。同日，在《自然》上，还刊发了由我国科研团队提出的一项柔性传感器重磅研究成果，该成果在具身智能、脑机接口等领域的应用具有突破性意义。该成果题为“A movable long-term implantable soft microfibre for dynamic bioelectronics”（用于动态生物电子学的可移动长期植入软微纤维）。厦门大学助理教授谢瑞杰、深圳先进院副研究员韩飞、研究助理余潜衡远、博士生李冬为该论文共同第一作者；中国科学院深圳先进技术研究院的刘志远研究员、徐天添研究员、韩飞副研究员和东华大学严威教授为该论文通讯作者。论文可在文末【阅读原文】链接查看。据悉，该成果历经5年多时间的协同攻关，研究工作得到了中国科学院院士郑海荣、中国科学院院士朱美芳以及深圳先进院研究员李光林的帮助与支持。在脑机接口等神经接口系统中，电极是连接电子设备和生物神经系统的核心界面传感器，是脑机接口中“接口”的核心所在。然而，当前植入式电极均是“静态”的，植入后只能“固定位置、局限采集”，还在免疫反应中“被动挨打”乃至传导失效，严重制约了脑机接口的应用和未来发展。长期植入式生物电子学为评估神经系统功能并作为有效的人机接口提供了强大手段。该研究首次提出了脑机接口“动态电极”的新范式，打破了植入式电极的“静态”传统，为脑机接口电极的研究与应用开辟了新方向。在自然界中，蚯蚓依托独特的 “体节” 构造（metamerism），达成了高度分布式的感知与运动调控能力。它的每一体节内部均分布着离散的感知单元与神经单元，不仅能精准捕捉外界刺激，还能灵活作出响应，进而在复杂环境里展现出自由穿行的出色适应能力。受蚯蚓启发，团队携手提出了一种名为NeuroWorm的软性、可拉伸且可移动的柔性纤维传感器，用于生物电子接口。研究人员通过滚动工艺将二维生物电子器件转化为一维NeuroWorm，从而制备出一种多功能微纤维，该微纤维沿纵向分布电极阵列，可同时进行生物电与生物力学信号的监测。 NeuroWorm能够在原位高质量记录时空信号，并在脑内或肌肉表面按需灵活前进，实现对目标监测部位的动态定位与转移。 NeuroWorm通过微小切口植入大鼠肌肉后，可稳定进行生物电监测超过43周，即便在植入肌肉54周后，纤维周围的成纤维细胞包裹仍然可以忽略不计。 NeuroWorm代表了生物电子学平台的重大进步——从固定不动的探针发展到可主动、智能和“生命化”的器件，用于对神经系统进行长期、微创且可移动的评估。

打破传统框架，植入式脑机接口电极开启“游走”模式

脑机接口分为非植入式、半植入式与全植入式，全植入式脑机接口技术因电极直接与神经元“对话”，可实现其他方式无法企及的监测精度与更丰富的功能。然而，传统植入式电极植入后不仅无法动态调整植入位置，也无法对周边环境作出响应性调整。

在2020年11月一次例会上，刘志远和课题组成员讨论道：“从临床需求来看，如果我们能开发出一种非常细、非常软、又能运动的多通道纤维电极，或许能解决当前电极领域的不足。”

但想要得到这种电极并非易事，不仅要克服多个技术难点，还需要不同领域的工程技术人才。那时，徐天添团队长期专注于磁驱动微型机器人研究，在磁性材料制备及微纳机器人精确操控方面积累了丰富经验。对于传统柔性电极的“静态”特性以及其所导致的问题，刘志远在和徐天添探讨之后，两个课题组一拍即合，决定共同探索如何在柔性电极中引入微小磁性组件，并利用外部磁场实现电极植入后仍具备可调节、可运动的“动态”特性。

▲“NeuroWorm”的设计、制造策略和演示

在该研究中，研究团队首先要解决的难题，便是如何在一根直径约为200微米的纤维上，布局数十个独立的电极通道，这相当于在一根头发丝上拆分雕刻出数十根长度一致、彼此不能交叉的细线，还要保证这根纤维足够柔软且可拉伸。

团队成员谢瑞杰此前制备出了厚度仅为数百纳米厚的超薄薄膜电极，在此基础上，他想到如果将薄膜“卷起来”，就能变成微米尺度的纤维。通过超薄柔性薄膜的制备、导电图案设计、软硬接口设计和制造等多个精细步骤，经过五年攻关，研究团队在郑海荣院士、李光林研究员的帮助下，终于制备出拥有沿着纤维长度方向独立分布的多达60个通道的、直径仅有196微米的柔软可拉伸纤维电极。

为了让制备的电极“动起来”，团队在电极的一端增加了微小的磁头，通过结合高精度磁控系统和即时影像追踪技术，使电极能够在体内自主调控前进方向，并能稳定记录高质量的生物电信号。这样的“动态电极”可以在兔子颅内“游走”，根据需要主动更换监测目标，研究团队给它命名为NeuroWorm——神经蠕虫。

▲磁场控制下“NeuroWorm”对脑部与骨骼肌的动态监测

不仅在大脑里“游走”，也在外周肌肉上“动起来”

NeuroWorm的诞生不仅为脑机接口开辟了新路径，它的应用还远不止于大脑。研究团队还首次实现了电极在肌肉内的长期植入与稳定工作。

与大脑相比，外周肌肉在运动过程中会产生更大幅度的形变和拉伸，对电极的柔软性、耐久性和信号稳定性提出了更高要求。NeuroWorm凭借其微型化、可拉伸的结构优势，在肌肉内依然能紧密贴合组织，并保持高质量信号采集，为外骨骼控制、康复辅助以及日常环境中的人机协同提供了新可能。

▲NeuroWorm肌肉束内长期植入生物相容性验证

团队利用微创植入技术，成功实现了NeuroWorm电极在大鼠腿部肌肉内稳定工作超过43周。值得关注的是，电极植入13个月后，其周围形成的纤维包裹层厚度平均不足23微米，周围组织的细胞凋亡率与正常组织相当，展现了优异的长期生物相容性。相比之下，传统不锈钢丝电极在相同条件下包裹层厚度超过451微米，伴随显著的细胞凋亡反应。

与此同时，在外部磁场的操控下，NeuroWorm可在肌肉上表面实现游走，可在植入后的一周内每天变换位置进行监测。

“研究过程中，我们不仅要确保电极信号传输的稳定性、防水性，还要确保精准控制电极在实验动物体内运动。在很长的一段时间里，我们的大部分工作是不断地改进、调整、动物实验测试，最终得到符合要求的电极。”韩飞回忆。

“这一成果标志着生物电子学领域的重要突破，使传统的被动固定式植入电极首次迈向可主动控制、智能响应、与生物组织协同运动的全新阶段，为神经系统功能的长期动态监测提供了全新的技术路径。”徐天添表示。

多学科协同助推脑机接口发展

近年来，随着人工智能、神经生物学、生物传感器与柔性电子等技术不断突破，脑机接口技术已不再依赖单一学科的驱动，更需要AI、材料科学、电子工程、神经科学等多学科的深度融合与协同合作。

▲率先取得医疗器械注检认证的柔性可拉伸电子皮肤

此前，刘志远团队基于柔软可拉伸导电材料的技术积累，率先实现了柔软可拉伸电极阵列的工程化量产，并通过了相关的二类医疗器械注检，应用在体表高密度肌电监测与刺激等场景中，尝试取代传统的硬质不可拉伸电极阵列，并已实现对包括欧洲客户在内的电生理公司供货。

“尽管我们取得了一些应用突破，又新提出了‘神经蠕虫’的理念，但电极植入后仍面临免疫排异和长期稳定工作等挑战。如何实现电极与人体组织的更好融合，提高信号读取的精准度和稳定性，是未来的重要研究方向。”刘志远表示，未来植入式电极还需在驱动方式、速度控制、材料优化、功能集成、长期相容性等方面开展研究，需要全球科学家的共同努力。

徐天添介绍，研究团队首次将磁控驱动技术运用在植入式电极中，也为磁控微纳机器人领域带来宝贵的经验和数据，有望应用于早期的植入式医疗设备中，为动态监测生理信号提供新的解决方案。