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  能夠靈敏檢測生理信號并高效傳輸用戶指令的可穿戴設(shè)備，在數(shù)字健康和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。然而，其廣泛普及受到可穿戴性和耐用性限制的阻礙。雖然主流穿戴設(shè)備如智能手表和手環(huán)可以收集生理數(shù)據(jù)并作為人機界面，但其剛性、重量和體積可能導(dǎo)致不適，從而影響長期可穿戴性和用戶體驗。薄膜基柔性電子具有更薄的厚度、更優(yōu)異的柔軟性和可拉伸性，使其能夠更自然地貼合人體并適應(yīng)各種運動。然而，薄膜的使用往往導(dǎo)致透氣性不足，導(dǎo)致難以長時間佩戴和大面積使用。此外，與傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備類似，它們通常部署在單點位置，僅捕捉局部數(shù)據(jù)。這限制了它們監(jiān)測多個身體區(qū)域的能力，難以實現(xiàn)全面、多維數(shù)據(jù)的采集。智能紡織品通過將電子功能無縫集成到服裝面料中，可以在保證穿著舒適性的同時，實現(xiàn)電路以及傳感網(wǎng)絡(luò)對人體的大面積覆蓋。然而，與在單一點位置運行的可穿戴設(shè)備相比，為大面積覆蓋而設(shè)計的智能紡織品在日常穿著中會遇到更復(fù)雜的應(yīng)力條件。一方面，整個電路系統(tǒng)需要具備優(yōu)異的柔性和可拉伸性，以確保足夠的穿著舒適度和適應(yīng)人體運動的能力。另一方面，智能紡織品的大面積覆蓋增加了撕裂損壞的風(fēng)險，需要高剛度、高強度的導(dǎo)電電路來實現(xiàn)有效的自我保護。這種矛盾的力學(xué)屬性對于常規(guī)材料來說，通常是難以同時實現(xiàn)的。

  近期，受天然皮膚結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，英屬哥倫比亞大學(xué)張成龍博士/John Madden教授團隊提出了一種基于織物結(jié)構(gòu)設(shè)計彈性導(dǎo)電紗線的逆向設(shè)計策略。傳統(tǒng)紡織工藝通常利用紗線來制造織物，這項工作利用織物結(jié)構(gòu)來設(shè)計彈性導(dǎo)電紗線，通過最常見的平紋機織織物結(jié)構(gòu)將剛性電極纖維與彈性纖維交織在一起（彈性纖維作為經(jīng)紗，電極纖維作為緯紗），實現(xiàn)了低剛度、高剛度、高強度、大應(yīng)變等多種相互排斥的力學(xué)屬性在單根紗線上的一體集成。基于織物結(jié)構(gòu)的可拉伸導(dǎo)線在正常穿著時表現(xiàn)出低剛度、舒適的狀態(tài)，而在破壞性應(yīng)力下則轉(zhuǎn)變?yōu)楦邉偠取⒏邚姸鹊淖员Ｗo模式。此外，它們還具有優(yōu)異的柔軟性、卓越的形狀回復(fù)能力與機械魯棒性、與商用紗線相當(dāng)?shù)某叽绾涂删幙椥裕约肮逃械耐笟庑浴Ｍㄟ^調(diào)節(jié)彈性纖維和電極纖維的數(shù)量，還可以設(shè)計可拉伸導(dǎo)電紗線的應(yīng)變傳感能力。配置為 2:1 的可拉伸連接紗（SCY）表現(xiàn)出優(yōu)異的電導(dǎo)率（1897.39 S cm^?1 ）和應(yīng)變不敏感性（相對阻抗變化ΔZ/Z = 0.09%，包括電阻和電感成分）。 配置為 3:2 的機械傳感紗線（MSY）展現(xiàn)出雙模式傳感能力，包括應(yīng)變敏感性和接近敏感性（傳感距離：8 mm）。通過集成 MSY 和 SCY 開發(fā)了一種系統(tǒng)級智能腕帶能夠監(jiān)測和識別肌肉運動，同時也可作為人機界面，應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制、游戲交互和音樂播放等場景。作為最廣泛采用的織物結(jié)構(gòu)之一，機織織物結(jié)構(gòu)確保了該方法的廣泛適用性和可及性。紡織制造的高度自動化和成本效益進一步提升了該策略的效率和可擴展性，使其非常有潛力用于智能服裝的大規(guī)模生產(chǎn)。

  2025年10月16日，該工作以“Soft and Strong: Elastic Conductors with Bio-Inspired Self-Protection”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上面。

圖1展示了本文提出的基于織物的可拉伸導(dǎo)電紗線的設(shè)計策略。皮膚在未受力狀態(tài)下，膠原蛋白纖維呈彎曲形態(tài)，具有低初始剛度。在拉伸過程中，膠原蛋白纖維逐漸變直，導(dǎo)致剛度增加，彈性蛋白纖維提供彈性，使皮膚在變形后能夠恢復(fù)原始形狀。基于織物的可拉伸導(dǎo)電紗線采用平紋編織結(jié)構(gòu)，將彈性纖維（經(jīng)紗）和電極纖維（緯紗）交織在一起，實現(xiàn)了可拉伸性與自保護能力的一體集成。

圖2展示了基于織物結(jié)構(gòu)的可拉伸導(dǎo)電紗線的性能。(a) 結(jié)構(gòu)示意圖：說明了 MSY 和 SCY 的結(jié)構(gòu)，其中電極纖維呈蛇形排列，并與軸向排列的彈性橡膠纖維機械互鎖，形成穩(wěn)定的織物結(jié)構(gòu)。(b) 電極纖維微觀結(jié)構(gòu)：展示了電極纖維的芯鞘結(jié)構(gòu)，其中銅沉積在 CNT 纖維表面，導(dǎo)致纖維直徑略有增加，表面紋理從光滑變?yōu)榇植?/span>。(c) 銅沉積效率：展示了沉積時間、電流水平和電解液濃度對 Cu/CNT 纖維電阻的影響。結(jié)果表明，即使短時間沉積也能顯著提高纖維導(dǎo)電性，而電流和電解液濃度的增加會提高銅沉積效率。(d) 阻抗-應(yīng)變關(guān)系：展示了 SCY 的阻抗與應(yīng)變的關(guān)系。在 0% 到 300% 的應(yīng)變范圍內(nèi)，SCY 的相對阻抗僅略有增加，表明應(yīng)變對阻抗的影響可以忽略不計。(e) 電容-應(yīng)變關(guān)系：展示了 MSY 的電容-應(yīng)變關(guān)系。MSY 具有獨特的雙相電容響應(yīng)模式，在應(yīng)變增加時，相對電容先減小后增大。(f) 距離-電容關(guān)系：展示了 MSY 的距離-電容關(guān)系。當(dāng)人手掌靠近 MSY 時，電容顯著下降，表明 MSY 具有距離傳感能力。(g) SCY 的相對電阻變化：展示了 SCY 在 10000 次循環(huán)拉伸測試后的相對電阻變化，表明其具有良好的機械耐用性。(h) MSY 的電容變化：展示了 MSY 在 10000 次循環(huán)拉伸測試后的電容變化，表明其具有良好的電容性能和機械耐用性。(i)~(k) 有限元分析結(jié)構(gòu)：展示了MSY中纖維的恒定電位、表面電荷密度的不均勻分布以及拉伸過程在的電場分布和強度，證實了電容-應(yīng)變響應(yīng)的機制。

圖3主要分析了基于織物結(jié)構(gòu)的可拉伸結(jié)構(gòu)在機械性能方面的特點。(a) 模型示意圖：介紹了基于織物結(jié)構(gòu)的可拉伸結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，使用正弦波函數(shù) (y = asinbx) 來表示該結(jié)構(gòu)，并分析了其結(jié)構(gòu)配置與機械性能之間的關(guān)系。(b) 纖維彎曲剛度對機械響應(yīng)的影響：通過有限元分析，比較了使用梁單元和實體單元模擬纖維彎曲剛度對基于織物結(jié)構(gòu)的可拉伸結(jié)構(gòu)機械響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，高模量纖維主要承受拉伸載荷，而低模量纖維主要承受壓縮載荷。(c) 基于織物結(jié)構(gòu)的可拉伸結(jié)構(gòu)與打印蛇形結(jié)構(gòu)的比較：通過有限元分析，比較了基于織物結(jié)構(gòu)的可拉伸結(jié)構(gòu)與打印蛇形結(jié)構(gòu)在拉伸過程中的機械響應(yīng)。結(jié)果表明，基于織物結(jié)構(gòu)的可拉伸結(jié)構(gòu)由于纖維之間的空氣間隙，可以更好地釋放剪切變形能量，從而具有更好的柔韌性和可穿戴性。(d) 高模量纖維對可拉伸結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。(e) 低模量纖維對可拉伸結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。(f) 紗線寬度對機械行為的影響：增加紗線寬度可以顯著提高結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變，并擴展低剛度區(qū)域，從而提高舒適性。

圖4展示了基于織物結(jié)構(gòu)的可拉伸導(dǎo)電紗線在可穿戴智能腕帶中的應(yīng)用潛力。(a) 智能腕帶照片：展示了智能腕帶的實物照片，其中集成了多個 MSY 和 SCY，用于多通道傳感和人機交互。(b)~(c) MSY 和 SCY 的微觀形態(tài)：展示了 MSY 和 SCY 在智能織物系統(tǒng)中的微觀形態(tài)，它們具有與商業(yè)紗線相當(dāng)?shù)某叽绾腿犴g性，可以很好地適應(yīng)人類手腕的形狀。(d)~(e) 透氣性測試：展示了智能織物的透氣性測試，空氣可以輕松穿過織物，表明其具有優(yōu)異的透氣性。(f) 智能腕帶上的運動分類：展示了 11 種不同運動類別，智能腕帶可以區(qū)分不同的運動，例如拳頭緊握和打開、手臂運動等。(g) 深度學(xué)習(xí)模型架構(gòu)：展示了用于運動分類的深度學(xué)習(xí)模型架構(gòu)，包括卷積層、池化層和 LSTM 層。(h) 模型性能：展示了深度學(xué)習(xí)模型的性能，測試準(zhǔn)確率超過 90%。

圖5展示了基于織物結(jié)構(gòu)的可拉伸導(dǎo)電紗線在可穿戴人機交互中的應(yīng)用潛力。(a) 智能腕帶應(yīng)用示例：展示了智能腕帶在可穿戴人機交互中的應(yīng)用示例，包括遠(yuǎn)程控制、游戲操作和音樂播放。(b) CapSense 模塊工作原理：介紹了 CapSense 模塊的工作原理，該模塊用于精確測量電容值，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。(c) 接收端軟件流程圖：展示了接收端軟件流程圖，包括數(shù)據(jù)可視化界面、藍(lán)牙低功耗 (BLE) 通信協(xié)議、數(shù)據(jù)讀取和處理、實時數(shù)據(jù)可視化、應(yīng)用程序級命令執(zhí)行等。(d) 遠(yuǎn)程控制汽車操作：展示了使用智能腕帶控制遠(yuǎn)程控制汽車的操作，包括前進/后退、左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)。(e) 遠(yuǎn)程控制汽車電路：展示了使用智能腕帶控制遠(yuǎn)程控制汽車的指令圖，其中每個按鈕對應(yīng)一個唯一的命令。

  總而言之，該工作提出了一種基于平紋織物結(jié)構(gòu)的開發(fā)具有自保護功能的可拉伸導(dǎo)電紗線的策略。通過利用織物結(jié)構(gòu)的交織機制，實現(xiàn)了彈性纖維與不可拉伸電極纖維之間的機械互鎖。所得導(dǎo)電紗線不僅表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還兼具柔韌性、高拉伸性、低剛度、高強度、優(yōu)異的機械可重復(fù)性以及固有的透氣性和可編織性。在這些基于織物的可拉伸導(dǎo)電紗線中，電極纖維提供出色的強度，而彈性纖維則貢獻低模量和形狀恢復(fù)能力。電極纖維呈蛇形配置，其中弧長與周期長度的差異決定了導(dǎo)電紗線的極限拉伸性。通過調(diào)整彈性纖維和電極纖維的數(shù)量，還可以設(shè)計應(yīng)變不敏感的可拉伸連接紗線或應(yīng)變敏感的機械傳感紗線。一維紗線的形式能夠無縫集成到二次織造工藝中，促進系統(tǒng)級智能紡織品的制造。作為一個驗證展示，開發(fā)了一種智能腕帶織物，它能夠監(jiān)測和識別肌肉運動，同時支持人機交互應(yīng)用，包括遠(yuǎn)程控制、游戲和音樂播放。為可拉伸紗線結(jié)構(gòu)的制造提供了一種通用且容易實現(xiàn)的方法。展望未來，這種策略可以擴展到開發(fā)可拉伸紗線形式的新型電子元件，如電容器、電感器和二極管，進一步擴展下一代電子紡織品的功能。

  原文鏈接: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202512471