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内容概览
现有技术缺点
灵敏度不足：传统基于纤维的传感器在监测微小弯曲变形时灵敏度较低，难以实现高精度的微生理信号监测。 应用场景受限：许多研究侧重于大幅度拉伸的传感能力，忽视了在实际生物监测场景中常见的微小变形，导致应用场景有限。
文章亮点
微弯曲敏感纤维：作者开发了一种基于纳米纤维屈曲（NB-fiber）和离子传导机制的微弯曲敏感纤维，能够在超低曲率下检测信号（如0.1 mm⁻¹），并在10°的弯曲范围内提高灵敏度超过21.8%。
高灵敏度与稳定性：该技术在纤维微弯曲下表现出高度的稳定性和信号传输准确性，并且在超过10,000次的循环测试中仍然保持良好性能。
多领域应用潜力：通过集成定制的软件，该技术展示了在肌肉力量监测、康复训练、假肢和外骨骼开发等方面的广泛应用潜力。
应用场景
康复与训练：用于实时监测和反馈康复患者的肌肉活动和力量，有助于优化治疗方案，提升康复效果。
可穿戴设备：开发先进的可穿戴设备，用于物理治疗中的运动模式分析，提供个性化和有效的治疗。
假肢与外骨骼：应用于假肢和外骨骼的开发，提升行动受限者的生活质量。
总结
作者通过创新性的纳米纤维屈曲（NB-fiber）技术，提出了一种高灵敏度的微弯曲敏感电子纤维，克服了传统纤维传感器在监测微小弯曲变形时的局限性。该技术不仅提高了信号检测的精度和稳定性，还展示了在康复、可穿戴设备、假肢和外骨骼开发等领域的广泛应用潜力。NB纤维有望为医疗保健和健康监测带来革命性的改变，提供更加个性化和有效的解决方案。
文章名称：Triboelectric micro-flexure-sensitive fiber electronics
期刊：Nature Communications
文章DOI：10.1038/s41467-024-46516-0.
通讯作者：东华大学王宏志（Hongzhi Wang）教授&侯成义（Chengyi Hou ）研究员
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图文简介
NB纤维的设计原则和制备
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）。
NB纤维的工作机理和电机械性能
图2 NB纤维的工作机理和电机械性能。a NB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 本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
NB纤维在微生理诊断中的前景展望
NB纤维展示出优异的弯曲灵敏度，使其成为监测人体健康和提供医疗帮助的新兴解决方案。其紧凑轻便的设计使其可以方便地附着在不同的身体部位，包括额头、手腕、胸部和腹部，有助于精确测量微小的生理信号。
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。
NB织物在生物力学反馈中的应用
NB纤维的优异的柔韧性使其与标准纺织技术和设备兼容，与棉混纺纤维结合后（图4a），可制备无限尺寸的生物力学纺织品（简称NB纺织品）。NB纺织品继承了NB纤维的高灵敏度，能够将压力信息进行空间映射，以收集定量触觉反馈信息。此外，该纺织品的特性使整个系统具有高度灵活性和形状适应性，能够被拉伸、折叠、卷曲和弯曲（图4b）。
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。
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文献来源
Lin S, Yang W, Zhu X, Lan Y, Li K, Zhang Q, Li Y, Hou C, Wang H. Triboelectric micro-flexure-sensitive fiber electronics. Nat Commun. 2024 Mar 15;15(1):2374. doi: 10.1038/s41467-024-46516-0. PMID: 38490979; PMCID: PMC10943239.
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