东华大学研发新型微流体纺丝技术，实现柔软纤维内直接构建电子电路
电子设备正逐渐摆脱对刚性屏幕、键盘及传统处理组件的依赖。过去数十年间，电子工程师致力于开发细电子纤维，以用于制造可穿戴设备或柔性机器人传感器。然而，将电子纤维可靠地组装成特定应用组件一直是个难题。
中国东华大学的研究团队在《自然·电子学》（Nature Electronics）杂志上发表最新论文，介绍了一种全新的制造方法。该方法旨在解决软纤维仅作为载体而非电路本身的问题，使电子系统能够适应复杂的移动机器人身体，同时集成传感、信息处理和交互功能。
从“光纤上的电路”到“光纤作为电路”
传统的电子织品制造方法通常需要将刚性芯片或独立电子元件连接到软基板上。这种策略往往导致机械性能不匹配，并在组件之间形成脆弱的互连接口。此外，现有的纤维整合方法还受到材料和加工条件的限制。
该研究共同作者孙恒达（Hengda Sun）表示：“我们的目标是开发一种制造路线，在纤维形成过程中共同创造材料排列、设备架构和电气互连。我们希望将电路布局转化为可编程的制造工艺，从根本上实现从‘光纤上的电路’向‘光纤作为电路’的转变。”
五通道微流体芯片与动态流量编码
研究人员引入的新制造方法通过精确控制不同材料的流动来构建电子纤维内部的电路。团队使用一个包含五个微小通道的装置，将功能性材料的液体混合物与弹性热塑性聚氨酯（TPU）结合。
孙恒达解释道：“我们在温和的环境液相条件下使用五通道微流体芯片，由 TPU 基质携带导电、介电、发光或半导体配方。”
在这一过程中，材料在整个纤维截面上分层构建设备辐射；沿着纤维长度方向，通过动态切换和调整流量来编码设备的启动、停止及轴连接位置。这使得材料放置、设备制造和电路布线能够在连续的旋转步骤中同步完成。
模块化库与耐用性测试
为了验证这一制造策略，研究人员成功制造出具备多种功能的纤维，包括发光、电信号处理、执行简单逻辑操作以及无需触摸即可检测附近物体。他们还将基于光纤的不同模块组合成工作电路，例如可调节滤波器（用于选择特定频率的电信号）和逆变器（可将逻辑输入从 0 切换至 1 或反之）。
孙恒达指出：“不同的电子功能可以被视为遵循共享流体编码规则构建的模块，从而创建一个可根据所需电路功能进行组合的模块化库。这有效绕过了可穿戴系统中脆弱、离散接头和不稳定互连的长期瓶颈。”
在评估平台时，团队通过显微镜检查了纤维的层次微观结构，验证了其光学和电气性能，并证实它们在重复弯曲、拉伸以及标准机器清洗下具有织物等级的耐用性。
面向柔性电子与软机器人的未来应用
该团队的制造方法不仅展示了不同类型的电子纤维，更确立了一种将电子元件高效集成到单根纤维中以构建特定应用电路的新范式。初步测试证明，该方法能有效集成具有不同电子功能的组件。
“我们证明了不同组件可以在单一纤维内协同工作，而纤维仍然保持柔软，可编织或制成织物，”孙恒达说，“这为不仅能感知，还能处理信息并与周围环境互动的面料和灵活结构开辟了道路。”
最后，通过将无触感应纤维与控制系统连接，研究人员展示了对无人机和机械臂的空间手势控制，以及自动追踪目标的能力。
展望未来，该制造策略可用于创建各种基于纤维的电子产品，包括可穿戴设备、柔性人机接口、软机器人和体内人工智能系统。团队计划将方法从单个电路纤维的开发扩展至复杂、相互连接的织物系统。
孙恒达补充道：“重要的工程挑战包括建立可靠的光纤到光纤互连，在密集的模块组装过程中抑制信号串扰，以及整合光纤电力传输和存储。”在制造方面，团队希望改进配方设计和流体控制，开发具有更多通道和更小特征尺寸的微流体芯片，以提高模块密度、空间精度和可制造性，推动光纤电路向更大规模的智能织物和柔性机器人接口发展。
