"电子蜘蛛丝"传感器：利用环保技术实现生物电子学革命

研究人员开发出了一种制造自适应生态友好型传感器的方法，这种传感器可以直接且不易察觉地印在各种生物表面上，无论是手指还是花瓣。资料来源：剑桥大学

这种方法由剑桥大学的研究人员开发，其灵感来自蜘蛛丝，蜘蛛丝可以粘附在各种表面上。这些"蜘蛛丝"还结合了生物电子学，因此可以在"网"上添加不同的传感功能。

先进的传感器技术

这种纤维比人的头发至少小 50 倍，重量非常轻，研究人员直接将其打印在蒲公英蓬松的种子头上，而不会破坏其结构。印在人的皮肤上时，纤维传感器会紧贴皮肤并暴露出汗孔，因此佩戴者不会察觉到它们的存在。对印制在人体手指上的纤维进行的测试表明，它们可用作连续的健康监测器。

这种低废物、低排放的生命结构增强方法可用于从医疗保健和虚拟现实到电子纺织品和环境监测等一系列领域。今天（5 月 24 日），《自然电子学》杂志报道了这一研究成果。

研究人员开发出了一种制造自适应生态友好型传感器的方法，这种传感器可以直接且不易察觉地印在各种生物表面上，无论是手指还是花瓣。这种比人类头发至少小 50 倍的纤维非常轻巧，研究人员可以直接将其打印到蒲公英蓬松的种子头上，而不会破坏其结构。资料来源：剑桥大学

虽然人体皮肤非常敏感，但在皮肤上增加电子传感器可以从根本上改变我们与周围世界的互动方式。例如，直接印在皮肤上的传感器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"感觉。

可穿戴技术面临的挑战

虽然嵌入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和碍眼。它们还会抑制皮肤的内在感觉。

"如果你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黄艳艳（Yan Yan Shery Huang）说。"我们还希望生物电子器件对用户来说是完全不可感知的，这样它们就不会以任何方式干扰用户与世界的互动方式，而且我们希望它们是可持续的、低废料的。"

研究人员开发出了一种制造自适应环保型传感器的方法，这种传感器可以直接且不易察觉地印在各种生物表面上，无论是手指还是花瓣。当印制在人体皮肤上时，纤维传感器会紧贴皮肤并暴露出汗孔，因此佩戴者不会察觉到它们的存在。对印制在人类手指上的纤维进行的测试表明，它们可用作连续健康监测器。资料来源：剑桥大学

柔性电子产品的创新

制造可穿戴传感器有多种方法，但这些方法都有缺点。例如，柔性电子元件通常印在塑料薄膜上，不允许气体或湿气通过，因此就像用保鲜膜包裹皮肤一样。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感觉，而且依赖于能源和废物密集型制造技术。

三维打印是生物电子学的另一条潜在途径，因为它比其他生产方法浪费更少，但会产生较厚的装置，从而干扰正常行为。旋转电子纤维可制造出用户无法察觉的装置，但灵敏度和复杂程度不高，而且很难转移到相关物体上。

现在，这个由剑桥大学领导的团队开发出了一种制造高性能生物电子器件的新方法，通过直接在各种生物表面（从指尖到蒲公英蓬松的种子头）上打印，这些电子器件可以定制。他们的技术灵感部分来源于蜘蛛，它们用最少的材料创造出适应环境的复杂而坚固的网状结构。

研究人员用 PEDOT:PSS（一种生物相容性导电聚合物）、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，使纤维能够变形为生物表面，甚至是指纹等微观结构。

在人类手指和蒲公英种子头等表面对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器性能，同时还不会被宿主察觉。

论文第一作者 Andy Wang 说："我们的纺丝方法可以让生物电子纤维在微观和宏观尺度上遵循不同形状的解剖结构，而无需任何图像识别。这为如何制造可持续电子器件和传感器开辟了一个完全不同的角度。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小部分。

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，产生的废料不到一毫克：相比之下，一般一次洗衣产生的纤维废料在 600 至 1500 毫克之间。

"利用我们简单的制造技术，我们几乎可以把传感器放在任何地方，并在需要的时候随时随地对它们进行维修，而不需要大型印刷机或集中的制造设施，"Huang 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，还可以将其他功能材料融入到这种纤维打印方法中，建立集成纤维传感器，以增强生命系统的显示、计算和能量转换功能。在剑桥大学商业化部门"剑桥企业"的支持下，这项研究正在实现商业化。

编译来源：ScitechDaily