電子紡織品（e-textiles）通過將電氣功能無縫集成到織物中，正在徹底改變可穿戴技術(shù)，推動(dòng)人機(jī)交互和智能系統(tǒng)的發(fā)展。然而，傳統(tǒng)導(dǎo)電纖維通常表現(xiàn)出應(yīng)變與電阻之間的正相關(guān)性——隨著拉伸程度增加，電阻也相應(yīng)上升。這一特性在實(shí)際應(yīng)用中帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：人體運(yùn)動(dòng)引發(fā)的機(jī)械應(yīng)變會(huì)嚴(yán)重干擾電子紡織品的性能。在應(yīng)變響應(yīng)型傳感紡織品中，非預(yù)期的應(yīng)變會(huì)扭曲信號(hào)波形，導(dǎo)致數(shù)據(jù)解讀復(fù)雜化；而在能量收集、數(shù)據(jù)傳輸或熱管理應(yīng)用中，應(yīng)變引起的電阻增加會(huì)降低電氣性能，造成功率損耗甚至功能失效。這些局限性已成為可穿戴電子紡織品走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。

新加坡國立大學(xué)林藝良教授課題組提出了一種應(yīng)變可編程纖維平臺(tái)，通過將液態(tài)金屬（LM）顆粒嵌入聚氨酯彈性體中，采用同軸濕法紡絲技術(shù)制備出復(fù)合纖維。這種纖維的機(jī)電響應(yīng)可通過預(yù)應(yīng)變和組分調(diào)控進(jìn)行精確編程，呈現(xiàn)出負(fù)應(yīng)變-電阻、混合應(yīng)變-電阻或正應(yīng)變-電阻三種行為模式。這一可調(diào)性源于應(yīng)變誘導(dǎo)的液態(tài)金屬顆粒重構(gòu)機(jī)制，通過幾何形變與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)演化的平衡實(shí)現(xiàn)。基于這一功能，研究團(tuán)隊(duì)展示了具有極性數(shù)字編碼的雙向應(yīng)變傳感器，以及用于穩(wěn)健能量收集、無線通信和熱管理的應(yīng)變不變電路，為高性能、多功能電子紡織品提供了可擴(kuò)展的材料級(jí)解決方案。相關(guān)論文以“Strain-programmable liquid metal fibers for anti-interference electronic textiles”為題，發(fā)表在Nature Communications上。

纖維設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)特征

研究團(tuán)隊(duì)選擇鎵基液態(tài)金屬作為導(dǎo)電填料，因其具有高導(dǎo)電性、本征柔軟和可變形性等優(yōu)點(diǎn)。聚氨酯作為一種熱塑性彈性體，提供了優(yōu)異的彈性、可加工性和與濕法紡絲技術(shù)的兼容性。通過同軸濕法紡絲工藝，他們制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的纖維——外層聚氨酯鞘層提供機(jī)械封裝，內(nèi)層液態(tài)金屬/聚氨酯復(fù)合物作為功能核心。掃描電鏡圖像清晰地展示了這一核殼結(jié)構(gòu)，液態(tài)金屬顆粒均勻分布在聚氨酯基體中，纖維甚至可以打結(jié)并纏繞在筆上，展現(xiàn)出卓越的柔韌性。這種設(shè)計(jì)不僅確保了機(jī)械完整性和環(huán)境穩(wěn)定性，還為引導(dǎo)液態(tài)金屬顆粒的定向重排提供了受限路徑。

圖1 | 基于應(yīng)變可編程液態(tài)金屬纖維的設(shè)計(jì)策略、結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)用。 a. 傳統(tǒng)導(dǎo)電纖維（表現(xiàn)出固定的、通常為正的應(yīng)變-電阻響應(yīng)）與應(yīng)變可編程纖維（提供可調(diào)機(jī)電特性，包括負(fù)、正和應(yīng)變不敏感狀態(tài)）的應(yīng)變-電阻行為概念比較。 b. 用于制造應(yīng)變可編程纖維的同軸濕法紡絲工藝示意圖及顯微圖像，該纖維具有液態(tài)金屬/聚氨酯復(fù)合芯和聚氨酯殼層。液態(tài)金屬/聚氨酯復(fù)合材料的掃描電鏡圖像（比例尺，300納米）和纖維打結(jié)圖像（比例尺，500微米）。纖維纏繞在筆上的光學(xué)圖像。比例尺，1厘米。 c. 由應(yīng)變誘導(dǎo)的液態(tài)金屬顆粒重組所控制的可編程機(jī)電行為機(jī)理圖示。低、中、高預(yù)應(yīng)變條件分別產(chǎn)生負(fù)、應(yīng)變不敏感和正應(yīng)變-電阻響應(yīng)。 d. 將應(yīng)變可編程纖維集成到可穿戴電子織物中用于抗干擾應(yīng)用，包括抗運(yùn)動(dòng)傳感和穩(wěn)定能量收集，展示了在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的穩(wěn)健性能。

應(yīng)變可編程機(jī)電行為

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)纖維進(jìn)行了單軸拉伸測(cè)試，從0%拉伸至400%應(yīng)變，同時(shí)監(jiān)測(cè)電阻變化。與傳統(tǒng)導(dǎo)電纖維單調(diào)遞增的電阻響應(yīng)不同，液態(tài)金屬纖維表現(xiàn)出非單調(diào)趨勢(shì)：電阻在約150%應(yīng)變范圍內(nèi)先下降，隨后在更高應(yīng)變水平上升。更令人驚喜的是，通過引入受控水平的單軸預(yù)應(yīng)變，這種應(yīng)變依賴行為可以被重新編程。經(jīng)歷低預(yù)應(yīng)變的纖維因拉伸狀態(tài)下顆粒間接觸增強(qiáng)而呈現(xiàn)負(fù)應(yīng)變-電阻行為；高預(yù)應(yīng)變纖維則表現(xiàn)出傳統(tǒng)的正應(yīng)變-電阻響應(yīng)；而處于中間預(yù)應(yīng)變水平的纖維進(jìn)入一種應(yīng)變不敏感狀態(tài)——相反效應(yīng)相互抵消，在動(dòng)態(tài)變形下保持穩(wěn)定的電阻。

圖2 | 液態(tài)金屬纖維的結(jié)構(gòu)表征與應(yīng)變可編程機(jī)電行為。 a. 液態(tài)金屬纖維的橫截面形貌。左圖：掃描電鏡和能譜圖像顯示同軸皮芯結(jié)構(gòu)，液態(tài)金屬/聚氨酯復(fù)合芯被聚氨酯殼層封裝。比例尺，100微米。右圖：高倍掃描電鏡圖像顯示內(nèi)外聚氨酯層之間的集成界面。比例尺，5微米。 b. 兩種機(jī)電測(cè)試方案示意圖：單次拉伸和增量循環(huán)應(yīng)變。 c. 液態(tài)金屬纖維在單次拉伸循環(huán)（0-400%）和連續(xù)循環(huán)加載過程中的電阻響應(yīng)。 d-f. 代表性ΔR曲線顯示可編程應(yīng)變-電阻行為：d，負(fù)（50%應(yīng)變），e，混合（100%應(yīng)變），以及f，正（150%應(yīng)變），每種均在五個(gè)應(yīng)變循環(huán)中測(cè)試。

長期穩(wěn)定性與雙參數(shù)調(diào)控

為了驗(yàn)證編程狀態(tài)的耐久性，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)三種編程狀態(tài)分別進(jìn)行了10,000次循環(huán)測(cè)試。結(jié)果顯示，負(fù)應(yīng)變-電阻、混合應(yīng)變-電阻和正應(yīng)變-電阻關(guān)系在全部循環(huán)過程中保持穩(wěn)定，僅在前期的電阻變化幅度略有調(diào)整后趨于穩(wěn)定，證實(shí)了纖維在不同編程狀態(tài)下均具備可靠的長期運(yùn)行能力。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬體積分?jǐn)?shù)是決定應(yīng)變-電阻行為的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。當(dāng)液態(tài)金屬體積分?jǐn)?shù)從62.2%降至38.8%時(shí)，混合過渡窗口從10-20%應(yīng)變區(qū)間移動(dòng)至110-150%應(yīng)變區(qū)間。基于這些發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可編程相圖，清晰描繪了不同預(yù)應(yīng)變和液態(tài)金屬體積分?jǐn)?shù)組合下的三種行為區(qū)間——負(fù)、混合、正，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電行為的雙參數(shù)精準(zhǔn)調(diào)控。

圖3 | 應(yīng)變可編程行為的長期穩(wěn)定性與區(qū)間可調(diào)性。 a. 在50%應(yīng)變下的10,000次應(yīng)變循環(huán)。插圖：第5、1,000、5,000和10,000次循環(huán)附近的電阻-應(yīng)變狀態(tài)詳細(xì)曲線。電阻表現(xiàn)出與應(yīng)變的穩(wěn)定負(fù)相關(guān)，變化幅度先減小后穩(wěn)定。 b. 在50%應(yīng)變循環(huán)過程中四個(gè)代表性循環(huán)（第5、1,000、5,000和10,000次循環(huán)）的歸一化電阻變化。 c. 在100%應(yīng)變下的10,000次應(yīng)變循環(huán)。插圖：電阻表現(xiàn)出在整個(gè)應(yīng)變循環(huán)中先減小后增加的混合響應(yīng)趨勢(shì)。變化幅度在早期略有增加，然后趨于穩(wěn)定。 d. 在100%應(yīng)變循環(huán)過程中四個(gè)代表性循環(huán)的歸一化電阻變化。 e. 在150%應(yīng)變下的10,000次應(yīng)變循環(huán)。插圖：電阻在整個(gè)應(yīng)變循環(huán)中與應(yīng)變正相關(guān)，變化幅度在穩(wěn)定前略有增加。 f. 在150%應(yīng)變循環(huán)過程中四個(gè)代表性循環(huán)的歸一化電阻變化。 g. 循環(huán)測(cè)試中不同應(yīng)變范圍內(nèi)ΔR的演變，突出了從負(fù)到正應(yīng)變-電阻的轉(zhuǎn)變。 h. 應(yīng)變-電阻相圖顯示了在不同應(yīng)變水平和組分下的三個(gè)可編程狀態(tài)——負(fù)、混合和正。

液態(tài)金屬顆粒重構(gòu)機(jī)制

研究團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算電阻率演化發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變?cè)黾樱娮杪食掷m(xù)下降，表明液態(tài)金屬顆粒重排導(dǎo)致了纖維電網(wǎng)絡(luò)的根本性變化。掃描電鏡圖像揭示了不同應(yīng)變水平下液態(tài)金屬顆粒的形態(tài)演變：未拉伸狀態(tài)下，顆粒均勻分散在聚氨酯基體中；拉伸至50%時(shí)，顆粒保持相對(duì)獨(dú)立但排列更加緊密，部分形成電接觸；在100%應(yīng)變下，顆粒開始融合；在更高應(yīng)變下，廣泛的顆粒融合形成連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。基于這些觀察，研究人員提出了一個(gè)理論模型：拉伸應(yīng)變促進(jìn)相鄰液態(tài)金屬顆粒之間的物理接觸和融合，這共同增強(qiáng)了電連接性。這一應(yīng)變驅(qū)動(dòng)的重構(gòu)機(jī)制源于兩個(gè)競爭效應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡——因顆粒間連接增強(qiáng)和導(dǎo)電路徑形成而產(chǎn)生的負(fù)電阻率變化，與因軸向伸長和橫截面變細(xì)而產(chǎn)生的正幾何因子變化相互制衡。

圖4 | 應(yīng)變誘導(dǎo)的液態(tài)金屬顆粒重構(gòu)及其對(duì)液態(tài)金屬基纖維機(jī)電行為的影響。 a. 歸一化長徑比隨應(yīng)變的演變。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與假設(shè)泊松比為0.5的理論曲線（虛線）和使用實(shí)測(cè)泊松比校正后的值（實(shí)線）進(jìn)行比較。 b. 單軸拉伸過程中電阻和計(jì)算電阻率的同步演變。由于液態(tài)金屬顆粒重構(gòu)，液態(tài)金屬纖維的電阻率隨時(shí)間降低。 c. 不同應(yīng)變水平下液態(tài)金屬/聚氨酯纖維橫截面的掃描電鏡圖像，顯示不同區(qū)域液態(tài)金屬顆粒逐漸接觸和合并。比例尺，2微米。 d. 液態(tài)金屬顆粒網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)變?cè)黾酉碌难葑兪疽鈭D：（i）離散顆粒，（ii）顆粒接觸，（iii）部分顆粒合并，以及（iv）連續(xù)導(dǎo)電路徑。 e. 不同機(jī)電狀態(tài)下電阻率變化和幾何形變競爭貢獻(xiàn)的分析——液態(tài)金屬纖維的負(fù)、混合和正應(yīng)變-電阻模式。

雙向傳感與人機(jī)交互

基于纖維的可編程特性，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了雙向應(yīng)變傳感平臺(tái)。通過50%預(yù)應(yīng)變編程的纖維呈現(xiàn)負(fù)應(yīng)變-電阻行為，而150%預(yù)應(yīng)變的纖維呈現(xiàn)正應(yīng)變-電阻行為。這種基于極性的編碼將機(jī)械輸入轉(zhuǎn)化為高度直觀且抗干擾的輸出，無需復(fù)雜的波形分析。兩種纖維傳感器均表現(xiàn)出快速響應(yīng)和恢復(fù)速度（50毫秒內(nèi)），滿足人體運(yùn)動(dòng)識(shí)別的需求。研究團(tuán)隊(duì)將這些纖維集成到可穿戴雙交互系統(tǒng)中用于手勢(shì)輸入：手指向一個(gè)方向彎曲觸發(fā)負(fù)電阻變化，向相反方向彎曲則產(chǎn)生正響應(yīng)。當(dāng)兩根纖維并聯(lián)連接時(shí)，單通道輸出可同時(shí)捕獲兩個(gè)信號(hào)方向。電阻的增加和減少被轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字輸出——“1”和“0”，使機(jī)械運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崟r(shí)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息。作為功能演示，交替彎曲手指生成的二進(jìn)制輸入序列成功編碼了“NUS”（新加坡國立大學(xué)）字母，實(shí)現(xiàn)了高保真?zhèn)鬏敚碚撟R(shí)別精度達(dá)到100%。

圖5 | 液態(tài)金屬纖維中應(yīng)變誘導(dǎo)電阻率演變的建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 a. 液態(tài)金屬顆粒在應(yīng)變下重構(gòu)的示意圖，顯示通過顆粒伸長、接觸和合并逐步形成導(dǎo)電路徑。應(yīng)變促進(jìn)從離散到連續(xù)電氣網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變。 b. 代表液態(tài)金屬纖維中從離散到合并導(dǎo)電路徑轉(zhuǎn)變的等效電路演變。 c. 應(yīng)變期間液態(tài)金屬顆粒接觸增加導(dǎo)致電壓降減小（電阻減小）的有限元模擬。 d. 并聯(lián)傳導(dǎo)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)電阻數(shù)據(jù)的擬合。該模型在低應(yīng)變（<25%）下吻合良好，但在較高應(yīng)變下出現(xiàn)偏差，表明顆粒合并等額外機(jī)制在較高應(yīng)變下占主導(dǎo)地位。 e. 纖維中使用的液態(tài)金屬顆粒的掃描電鏡圖像和粒徑分布分析。比例尺，3微米。 f. 計(jì)算的徑向壓應(yīng)力與基于拉普拉斯壓力的顆粒破裂閾值之間的比較，表明當(dāng)壓應(yīng)力超過破裂極限時(shí)，顆粒合并在約30%應(yīng)變后啟動(dòng)。 g. 混合并聯(lián)-串聯(lián)模型在整個(gè)應(yīng)變范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)電阻數(shù)據(jù)表現(xiàn)出極好的一致性，證實(shí)了其捕捉液態(tài)金屬纖維非線性機(jī)電行為的能力。

圖6 | 使用可編程液態(tài)金屬纖維的人機(jī)交互雙模式應(yīng)變傳感系統(tǒng)。 a. 通過50%和150%預(yù)應(yīng)變編程的液態(tài)金屬纖維的機(jī)電響應(yīng)，分別表現(xiàn)出明顯的負(fù)和正應(yīng)變-電阻行為。 b. 循環(huán)應(yīng)變測(cè)試顯示液態(tài)金屬纖維在多次加載循環(huán)中穩(wěn)定且可重復(fù)的雙向響應(yīng)。 c. 正和負(fù)應(yīng)變-電阻纖維的頻率依賴性能，顯示在不同驅(qū)動(dòng)速度下一致的信號(hào)極性。 d. 基于單向和雙向應(yīng)變傳感的單交互和雙交互系統(tǒng)的概念圖示。 e. 兩種編程液態(tài)金屬纖維響應(yīng)手指彎曲的不同電阻變化，信號(hào)幅度隨彎曲角度增加而增大。 f. 并聯(lián)連接的雙纖維連續(xù)輸出，使單通道系統(tǒng)能夠同時(shí)捕獲正負(fù)響應(yīng)。 g. 使用雙向纖維響應(yīng)的實(shí)時(shí)信息編碼，通過手指運(yùn)動(dòng)生成二進(jìn)制信號(hào)以高保真度傳輸消息“NUS”。

抗干擾能量收集與通信

在能量收集、無線通信和熱調(diào)節(jié)等應(yīng)用中，日常穿著和身體運(yùn)動(dòng)帶來的非受控應(yīng)變會(huì)引起電阻波動(dòng)，降低能量轉(zhuǎn)換效率，扭曲信號(hào)傳輸。為解決這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)利用應(yīng)變可編程特性設(shè)計(jì)了電阻穩(wěn)定的應(yīng)變不敏感導(dǎo)體。纖維被預(yù)拉伸至100%以達(dá)到混合應(yīng)變-電阻狀態(tài)——位于負(fù)和正響應(yīng)區(qū)間的交叉點(diǎn)，競爭性電阻效應(yīng)相互抵消，電阻波動(dòng)極小。研究團(tuán)隊(duì)使用刺繡液態(tài)金屬纖維制備了具有應(yīng)變彈性的近場通信（NFC）紡織天線。這種纖維直徑與商業(yè)紗線相當(dāng)，可與標(biāo)準(zhǔn)縫紉針兼容，易于集成到彈性織物中。刺繡電路保留了混合態(tài)機(jī)電行為，在60%應(yīng)變范圍內(nèi)電阻波動(dòng)極小（ΔR/R? < ±0.4%）。在四種不同的環(huán)境應(yīng)力測(cè)試（洗滌、高濕度、機(jī)械變形及皮膚附著）下，設(shè)備均表現(xiàn)出穩(wěn)定的運(yùn)行穩(wěn)定性，工作頻率始終保持在13.56 MHz附近。這些結(jié)果證明，應(yīng)變可編程液態(tài)金屬纖維為構(gòu)建下一代可穿戴電子紡織品中的可拉伸通信系統(tǒng)提供了穩(wěn)健且可擴(kuò)展的平臺(tái)。

圖7 | 基于應(yīng)變可編程液態(tài)金屬纖維的可拉伸NFC紡織品天線。 a. 通過纖維刺繡技術(shù)在彈性織物上使用液態(tài)金屬纖維制造可拉伸NFC電路。纖維的紗線級(jí)直徑使其與標(biāo)準(zhǔn)紡織品制造兼容。比例尺：3毫米（左），5毫米（右）。 b. 刺繡NFC電路在100%應(yīng)變下的應(yīng)變-電阻行為，在60%應(yīng)變內(nèi)顯示最小電阻波動(dòng)（ΔR/R? < ±0.4%），對(duì)于穩(wěn)定信號(hào)傳輸至關(guān)重要。 c. 可拉伸NFC天線工作原理示意圖，通過磁場耦合實(shí)現(xiàn)無線能量和數(shù)據(jù)交換。 d. NFC天線在未拉伸和拉伸狀態(tài)下的交流電壓曲線和功能演示，確認(rèn)了穩(wěn)健的信號(hào)完整性和13.56 MHz附近的穩(wěn)定工作頻率。 e. NFC天線在未拉伸和拉伸狀態(tài)下運(yùn)行的光學(xué)圖像和電壓值。 f. 實(shí)際應(yīng)用過程中的信號(hào)傳輸過程和光學(xué)圖像。 g. NFC紡織品天線在四種不同狀態(tài)下運(yùn)行的光學(xué)圖像和交流電壓。

抗干擾熱管理

溫度調(diào)節(jié)紡織品對(duì)于提升用戶舒適度、生理健康和熱效率至關(guān)重要。憑借優(yōu)異的電熱性能，液態(tài)金屬纖維在可拉伸織物的熱管理方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過預(yù)應(yīng)變編程，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變不敏感加熱纖維。在恒定電壓下運(yùn)行時(shí)，即使經(jīng)歷機(jī)械變形，加熱溫度仍保持顯著穩(wěn)定，在不同應(yīng)變狀態(tài)下表現(xiàn)出最小的熱波動(dòng)。這種應(yīng)變不敏感加熱行為實(shí)現(xiàn)了精確的熱控制，這是傳統(tǒng)可拉伸加熱器因應(yīng)變誘導(dǎo)電阻變化而難以實(shí)現(xiàn)的。

總結(jié)與展望

這項(xiàng)研究報(bào)道了一種應(yīng)變可編程纖維平臺(tái)，成功克服了可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)變誘導(dǎo)干擾問題。通過同軸濕法紡絲將液態(tài)金屬顆粒嵌入聚氨酯基體，研究團(tuán)隊(duì)制備出機(jī)電響應(yīng)可調(diào)的纖維——通過預(yù)應(yīng)變和液態(tài)金屬組分編程，實(shí)現(xiàn)從負(fù)到混合再到正應(yīng)變-電阻的連續(xù)調(diào)控。這一行為源于幾何形變與液態(tài)金屬顆粒重構(gòu)之間的平衡，實(shí)驗(yàn)與理論框架共同捕獲了這一機(jī)制。利用這種可調(diào)性，研究團(tuán)隊(duì)展示了用于傳感和功能應(yīng)用的抗干擾電子紡織品：雙向纖維實(shí)現(xiàn)了基于極性的信號(hào)編碼，而應(yīng)變不敏感纖維確保了能量收集和通信電路中的穩(wěn)定性能。這種可編程方法為下一代智能紡織品提供了一種可擴(kuò)展、多功能的策略，對(duì)人機(jī)交互和自適應(yīng)電子學(xué)具有廣泛的應(yīng)用前景。