在医疗健康领域中，存在着诸多挑战与重点关注。由于生理信号的内在可变性和振幅微小致使个体差异性，其中一个关键问题是如何根据患者的生理状况、运动能力以及康复进展实现个性化治疗和康复。此外，对于一些患有神经系统疾病或肌肉功能障碍的患者，如帕金森病、肌萎缩侧索硬化症等，精细的运动控制成为康复过程中的关键难点。因此，寻找一种能够实时监测患者细微生理活动并提供个性化康复方案的技术工具，成为医疗健康领域的重点研究方向。纤维电子器件的不断演进与应用，有望打造出更智能、更贴身的可穿戴设备，为人类健康监测和活动跟踪提供了新的可能。通过低功耗甚至自供电的身体区域传感网络的构建以真正实现人体运动下的实时监测，能够帮助人们更好地了解和管理自身健康状况。

东华大学先进功能材料课题组（https://pilab.dhu.edu.cn/afmg/）通过模仿人体感受器的结构（分层堆叠或卷曲以放大刺激信号）和信号反馈机制（离子传输机制确保信号的精度），在离子导电界面实现纳米纤维屈曲（NB）的有序分布，构建了一种微型弯曲敏感纤维。这种基于鞘芯纤维动态稳定模型的技术方法，能在一维纤维（平均直径<1mm）的有限空间内引入大量的摩擦间隙和高摩擦界面面积从而增强感知的精确性，实现在0.1 mm^-1的超低曲率下可检测信号，在10°弯曲范围内，纤维弯曲因子>21.8%。通过结合精确的微曲率检测，微弯曲敏感光纤释放了其在各种细微生理诊断方面的全部潜力，尤其是在康复和训练中监测上肢肌肉力量。

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）。

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 该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4 NB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。

相关研究以“Triboelectric micro-flexure-sensitive fiber electronics”为题发表在学术期刊Nature Communications（Nat Commun 15, 2374 (2024), DOI: 10.1038/s41467-024-46516-0）上。东华大学博士生林绍妹为第一作者，王宏志教授、侯成义研究员为论文共同通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46516-0