可穿戴電子纖維被視為構(gòu)建分布式人體感知網(wǎng)絡(luò)的理想基石，是具身智能實現(xiàn)感知-行動一體化的物理載體。然而，如何在保持柔性和機(jī)械適應(yīng)性的同時，實現(xiàn)對微弱、局部形變的高靈敏度響應(yīng)，并兼具自供能特性與分布式感知能力，一直是該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)軟材料中機(jī)械域與電學(xué)域的弱耦合，限制了其對微小振幅應(yīng)變的響應(yīng)，使其在分布式生物力學(xué)感知和長期可穿戴監(jiān)測中的應(yīng)用受限。

針對上述難題，陜西科技大學(xué)研究團(tuán)隊設(shè)計了一種機(jī)械自適應(yīng)拉脹電子生物基纖維，并將其作為具身智能傳感單元。經(jīng)優(yōu)化的纖維展現(xiàn)出超高靈敏度、強(qiáng)勁的電輸出和卓越的功率密度，并具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。集成于纖維傳感陣列后，該材料能夠解碼與下肢功能相關(guān)的微應(yīng)變模式，為自供能、自適應(yīng)且耐久的生物力學(xué)監(jiān)測提供了一條可擴(kuò)展的路徑。

該纖維的制造過程借鑒了牽?；ㄌ俾呐逝罊C(jī)制，通過將紗線以特定螺旋角纏繞在芯絲上，實現(xiàn)了類似植物的高效表面接觸與均勻黏附。為實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，團(tuán)隊開發(fā)了定制化彈性纏繞系統(tǒng)：以高彈性CA/WPU長絲為芯，高拉伸性AF/PDMS纖維為包裹層，通過控制芯材進(jìn)給速率與線軸角速度的動力學(xué)關(guān)系，精確調(diào)控螺旋節(jié)距與纏繞角度。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)受拉伸時橫向收縮不同，該拉脹構(gòu)型在張力下橫向擴(kuò)張，這種負(fù)泊松比行為增加了拉伸時纖維間的接觸距離，確保了摩擦電層間穩(wěn)定且廣泛的接觸。

基于此結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，團(tuán)隊將拉脹紗線系統(tǒng)應(yīng)用于靜脈功能障礙的早期檢測：通過設(shè)計由8根漸變機(jī)械靈敏度拉脹紗線組成的橫向陣列，并集成于壓縮紡織品中，紗線模量從遠(yuǎn)端到近端逐漸增加，與壓縮襪的剛度曲線相匹配，實現(xiàn)了對靜脈微形變的實時探測。

拉脹纖維的設(shè)計策略與工作原理

材料性能方面，增加芯材中WPU含量可提高斷裂應(yīng)變但降低了拉伸強(qiáng)度，而更高的膠原蛋白含量則降低楊氏模量但增加功容量。鞘層纖維需具備高拉伸強(qiáng)度以有效約束芯材，增加鞘層纖維股數(shù)可顯著增強(qiáng)拉伸性能，拉脹纖維的典型拉伸曲線呈現(xiàn)兩階段斷裂特征，拉伸強(qiáng)度達(dá)207.6 MPa，斷裂伸長率為340%。徑向直徑測量顯示，應(yīng)變低于20%時為典型泊松收縮，超過此閾值后則發(fā)生結(jié)構(gòu)重構(gòu)，產(chǎn)生顯著徑向擴(kuò)張與拉脹效應(yīng)。螺旋節(jié)距同樣關(guān)鍵，纖維在3~6mm范圍內(nèi)展現(xiàn)拉脹行為，但最終器件采用約5.0mm節(jié)距以平衡形變與摩擦電荷產(chǎn)生。纖維還展現(xiàn)出高壓敏性（0.64 kPa/mm）和優(yōu)異循環(huán)拉伸穩(wěn)定性。

拉脹纖維的材料特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

拉脹纖維對微應(yīng)變的響應(yīng)機(jī)制為：其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高效傳遞局部應(yīng)變，將微小生物力學(xué)形變轉(zhuǎn)化為可測量的電輸出。電荷轉(zhuǎn)移過程依賴于應(yīng)變程度，電輸出隨纖維長度增加而比例上升。在全形變范圍內(nèi)，高模量比設(shè)計在大應(yīng)變區(qū)（10%~50%）保持11.75的高應(yīng)變系數(shù)，在低應(yīng)變區(qū)（0~10%）則為11.26，約為非拉脹纖維的3.4倍。該拉脹纖維還展現(xiàn)優(yōu)異的彎曲性能以及環(huán)境穩(wěn)定性等。

在下肢靜脈狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用中，拉脹纖維以高微應(yīng)變靈敏度捕捉與靜脈狀態(tài)相關(guān)的生物力學(xué)特征。將其貼附于小腿進(jìn)行2.5h連續(xù)監(jiān)測，輸出電壓隨重力誘導(dǎo)的體積擴(kuò)張逐漸增加，清晰反映靜態(tài)下組織機(jī)械應(yīng)變變化。纖維表現(xiàn)出穩(wěn)定壓力傳感，在5kPa循環(huán)加載-卸載下信號緊密跟隨輸入波形。仿生流體壓力測試顯示，輸出電壓隨流體速度單調(diào)增加且高度線性。在10~40°C和30%~80%濕度范圍內(nèi)電壓變化低于5%，經(jīng)多次洗滌循環(huán)后性能退化小于6%，1000次磨損循環(huán)后保持96%初始性能，在人工汗液中連續(xù)浸泡24h后仍保留約89%的信號輸出。

拉脹纖維在靜脈功能監(jiān)測中的應(yīng)用性能

系統(tǒng)集成方面，拉脹纖維被針織入商用壓縮襪中，其橫向擴(kuò)張?zhí)匦源_保均勻壓力分布與高動態(tài)貼合性。通過分析記錄了坐（I）、站（II）、彎腰（III）和運動（IV）4種狀態(tài)下的分布式應(yīng)變信號發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)通過具身智能成功解碼靜脈運動，識別準(zhǔn)確率超過97%，為靜脈功能評估和早期風(fēng)險預(yù)警提供了有力基礎(chǔ)。

靜脈功能評估的系統(tǒng)集成與智能數(shù)據(jù)分析

該項工作為先進(jìn)的可穿戴醫(yī)療健康監(jiān)測提供了一種可擴(kuò)展、自供能、自適應(yīng)且耐久的生物力學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)方案，相關(guān)論文以“Bioinspired heliconical auxetic biofibers for intelligent biomechanical surveillance”為題發(fā)表在Science Advances上。

來源：高分子科學(xué)前沿