将电子技术融入生命系统
现代生活中充斥着各种电子产品，它们的目的是让我们的生活更加方便，联系更加紧密。从智能手机到智能家居，数字设备已经与我们工作、娱乐和与世界互动的方式深深地交织在一起。然而，大多数电子产品都缺少一个关键功能，那就是与我们身体和环境中活生生的表面无缝连接的能力。如果我们的电子产品能与皮肤、植物和其他生物材料形成不易察觉的结合，那会怎样呢？剑桥大学的一个研究小组可能已经找到了一种创新方法，通过制作有机 "生物电子纤维 "来实现这一目标。
传统的电子元件在与不规则的、不断变化的生物体形结合时显得力不从心。薄而坚硬的电子元件无法适应皮肤下或植物叶片上的皱纹、膨胀和压缩。此外，它们还可能因为笨重、僵硬和有限的透气性而干扰自然感觉、功能和变化。这项研究的负责人、剑桥大学工程系的黄燕燕博士（Dr. Yan Yan Shery Huang）说："理想情况下，生物电子界面不应妨碍宿主的固有感觉和生理变化。
为了解决这些问题，黄博士和她的合作者们从蜘蛛网中汲取灵感，采用了纤维方法。蜘蛛是图案复杂、重量轻、能完美适应当地环境的网状结构的建筑大师。研究人员想知道，如果将微米级电子纤维直接部署到生物基底上，是否也能实现类似的可定制、干扰最小的增强功能。
关键在于开发出特殊的 "生物电子纤维"，这种纤维由生物相容性化合物制成，如聚(PE)、聚(PE)和聚(PE)酰胺。
在轨道旋转中，研究人员将旋转臂固定在目标表面上方--无论是指尖、植物叶片还是鸡胚。随着旋转臂的旋转，其边缘将溶液线从注射器喷嘴直接拂到下方的目标上。毛细管力和粘性力随着旋转将材料雕刻成股，精确地附着在需要的地方。通过调节纺丝速度等变量，一个喷嘴就能像蜘蛛织网一样迅速地制作出复杂的纤维图案。
利用这种方法，研究人员成功地将 1-5 微米粗的生物电子纤维 "拴 "在了各种生物体上。电子显微镜显示，这些纤维与微小的缝隙和轮廓密切配合，从植物毛状体和毛囊一直到指纹。这种纳米级接触至关重要，因为它可以从下面的表面传递微妙的电、热和湿度信号。
值得注意的是，测试发现轻纺触感使鸡胚胎和敏感的含羞草叶片等生物样本保持不变。"黄博士指出："我们的结果表明，在发育组织上有纤维网的第 2 天鸡胚显示出正常的生长速度。因此，纤维沉积对生物基质的影响比蜘蛛脚接触叶子和墙壁要小得多。
有了这些扰动极小的纤维网络，研究人员制造出了各种不易察觉的传感器。他们在人体皮肤上制作了可跟踪心跳和肌肉运动的心电图和肌电图电极。这些纤维还可以将指尖与触觉敏感的植物叶片配对，将指尖变成活电路，从而实现对身体接触的两个人进行双重心电图记录。
在植物中，分布式纤维网通过网络供电时发光二极管亮度的变化来检测环境中的氨暴露。在叶片上，研究人员甚至通过擦除不需要的痕迹并添加新的连接，就地 "重写 "了纤维电路--这展示了纤维网络如何在发育变化过程中促进自适应、可重构的传感。
也许最引人注目的是，生物电子纤维能与微米级到厘米级的基底相匹配。研究小组将纤维阵列直接与微型发光二极管等预制电子元件相连接，而不需要粘合剂或替代品来弥补材料性能（如伸缩性）的缺失。未来，类似的干界面粘合技术可能会将纤维与电子纺织品连接起来，真正将软机械编织成坚硬的植物和人体组织。
与其他增材制造方法相比，纤维技术具有极强的可持续性。其原材料涉及地球上丰富的化合物，加工过程消耗的能源和溶液量极少，产生的废物也很少。事实还证明，制造的网络可修复、可回收--收集的纤维可重新溶解成油墨，用于以后的三维打印设备。该研究的合著者、澳门大学教授叶文磊表示，这种闭环生命周期有助于降低电子产品对环境的影响。
通过将生物和技术在线端结合在一起，这件作品在生物形式和更广阔的数字世界之间开辟了一条通往更自然、更不易察觉的结合之路。通过将电子器件与各种表面进行多尺度的亲密接触，生物电子纤维有朝一日可能会为我们、植物等披上多功能的感官外衣。如果经过深思熟虑的扩展和整合，这种增强功能可以在补充而非复制生命固有特性的同时，为健康、环境和农业带来益处。最终，用纤维线制作电子产品可能会将机械最完美地编织进大自然的挂毯中。尽管这项研究仍处于早期阶段，但它为技术融入我们的世界提供了无限可能。
参考文献
- DOI: 10.10 38/s41928-024-01174-4
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