据麦姆斯咨询报道，英国剑桥大学的研究人员受蜘蛛丝的启发，开发出一种轻便、环保、可与生物表面无缝结合的传感器，在健康监测和虚拟现实（VR）领域具有广阔的应用前景。
研究人员还开发了制造这种自适应、生态友好型传感器的方法，使其能够直接隐蔽地打印到各种生物表面上（例如手指或花瓣等）。这种传感器的灵感来自蜘蛛丝，因为蜘蛛丝可以粘附于各种表面。研究人员开发的这些“电子蜘蛛丝”还结合了生物电子学，因此可以在“蜘蛛网”上添加各种传感功能。
剑桥大学研究人员开发的自适应、生态友好型传感器，可以直接隐蔽地打印到各种生物表面上，例如缠绕栓系到手指上。
先进的传感器技术
研究人员开发的这种纤维传感器比人类头发丝至少细50倍，它们重量非常轻，可以直接将其打印在蓬松的蒲公英上，而不会破坏其结构。当打印到人体皮肤上时，这种纤维传感器会紧贴皮肤，同时不会遮蔽汗孔，因此佩戴者不会察觉到它们的存在。对打印在人体手指上的纤维传感器的测试表明，它们可用作连续的健康监测器。
研究人员以聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）为基础开发了一种有机生物电子纤维，通过轨道纺丝技术进行原位溶液纤维栓系，进而对生物结构进行难以察觉的增强。这种方法可以构建可升级、可修复的纤维接口，而且材料用量低，产生的废料极少。该策略还能延长一次性或可重复使用部件的使用寿命，增强供应链的弹性。
原位纤维栓系可用于耦合预制的微电子器件和电子织物，同时支持按需维护、升级和回收。
纤维栓系过程示意图，首先从粘弹性水溶液中启动纤维，再将其牵引到目标物体（例如手指）周围，然后在指尖上旋转沉积。
这种低废弃物、低排放的生命结构增强方法，可用于从医疗保健、虚拟现实到电子织物和环境监测等一系列领域。这项研究成果已发表于Nature Electronics期刊。
尽管人体皮肤非常敏感，但在皮肤上打印这种电子传感器，可以从根本上改变我们与周围世界的交互方式。例如，直接将其打印在皮肤上，可用于持续健康监测、了解皮肤感觉，或在游戏或虚拟现实应用中改善真实的沉浸体验。
可穿戴技术面临的挑战
目前，集成传感器的可穿戴技术（如智能手表）已广泛普及，但这些设备可能会让人感到不舒服或存在违和感，此外，还会抑制皮肤自身的感觉，例如闷气、出汗等。
“如果我们想准确地感知皮肤或树叶等生物表面上的任何东西，那么设备与这些表面之间的接口就至关重要。”领导这项研究的剑桥大学工程系教授Yan Yan Shery Huang说，“此外，我们还希望这些生物电子器件对于用户来说足够隐蔽，这样它们就不会以任何方式干扰用户与世界的交互，而且我们希望它们是可持续、低废弃物的。”
柔性电子产品的创新
制造可穿戴传感器有多种方法，但这些方法都各有缺点。例如，柔性电子元件通常印刷在塑料薄膜上，无法透过气体或湿气，因此就像用保鲜膜包裹皮肤一样憋闷。其他研究人员最近开发出了可透气的柔性电子元件，就像人造皮肤一样，但这些元件仍然会干扰正常的人体感官，而且依赖于耗能且废物密集的制造技术。
3D打印是生物电子学的另一条潜在途径，因为它相对其它生产方法浪费更少，但会产生较厚的装置，从而干扰正常活动。还有报道旋转电子纤维可以制造出用户无法察觉的器件，但其灵敏度和复杂度不高，而且很难转移到相关物体上。
现在，由剑桥大学领导的研究团队开发出了一种制造高性能、可定制生物电子器件的新方法，直接在各种生物表面（从指尖到蓬松的蒲公英）上像蜘蛛吐丝一样进行纤维栓系。
研究人员用PEDOT:PSS、透明质酸和聚氧化乙烯纺出了生物电子“蜘蛛丝”。这种高性能纤维是在室温下用水基溶液制成的，因此研究人员能够控制纤维的“可纺性”。随后，研究人员设计了一种轨道纺丝方法，使纤维能够完全贴合生物表面，甚至是指纹等微观结构。
在人类手指和蒲公英等表面对该生物电子纤维进行的测试表明，这些纤维具有高质量的传感性能，同时还不会被受试者察觉。
（a）采用当前的单喷嘴设置，研究人员在3分钟内就可以在指尖上制作一个新鲜的纤维电极。（b）指尖上纤维电极的接触阻抗与沉积时间的关系。（c）生物电子纤维阵列采集的心电图（ECG）信号与参考凝胶电极同时采集的心电图信号一致（信号相关性P = 0.99）。
本论文第一作者Andy Wang说：“我们的纺丝方案可以让生物电子纤维在微观和宏观尺度上贴合各种形状结构，无需任何图像识别辅助。这为制造可持续电子器件和传感器开辟了一个完全不同的新方向。并且，这是一种更容易制造大面积传感器的方法。”
未来方向和商业化
大多数高分辨率传感器都是在工业洁净室中制造的，需要在多步骤、高能耗的制造过程中使用有毒化学品。而剑桥大学开发的这种传感器可以在任何地方制造，所耗费的能源仅为普通传感器的一个零头。
这种生物电子纤维可以修复，在使用寿命结束后只需简单清洗即可，产生的废弃物不到一毫克。相比之下，一般一次洗衣产生的纤维废弃物就在600至1500毫克之间。
“利用我们开发的简单的制造技术，几乎可以把传感器安置在任何地方，并在需要的时候随时随地对它们进行维护，而不需要大型打印机或集中的制造设施。”Huang介绍说，“这些传感器可以在需要的地方按需制造，并且产生的废物和排放物极少。”
研究人员表示，他们的设备可应用于健康监测、虚拟现实、精准农业和环境监测等领域。未来，还可以将其它功能材料融入到这种纤维的纺丝制造中，构建集成纤维传感器，以增强生命系统的显示、计算和能量转换功能。据悉，在剑桥大学商业化部门“Cambridge Enterprise”的支持下，这项研究成果正在实现商业化。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41928-024-01174-4
延伸阅读：
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
