想象一下：當在你的手指尖打印上一種幾乎「無感」的微奈米生物電子纖維，隨後當你觸碰到別人的時候，就能同時讀取自己和對方的心電訊號......
這並不是幻想，而是清華本科校友、英國劍橋大學博士畢業生、目前已全職加入香港科技大學（廣州）的王文宇的最新論文成果。
圖 | 王文宇（來源：王文宇）
他表示，如果將這種技術用於嬰幼兒的健康監測，無需在嬰兒身上連線任何器件和貼片，只需在父母手上打印這種生物電子纖維，當父母抱起嬰兒時，就可以檢測到嬰兒的心電訊號。
總的來說，本次報道的生物電子纖維，可以個人化地貼合於人體和多種生物組織表面。
其輕薄透氣的特性讓人們幾乎感受不到纖維的物理存在，實作了從超舒適「無感」健康監測、有機電化學二極體、植物與電子織物傳感界面的廣闊套用，開拓了綠色永續的自訂生物電子器件。
目前，基於這項成果，研究人員已在劍橋大學產業轉化中心的支持下申請了國際專利。
概括來說，本次成果最有希望用於智慧健康和人機互動。
在智慧健康上：
這種「無感」生物電子界面可以實作長時間舒適的電生理監測，在佩戴者幾乎感受不到該界面物理存在的情況下，實作心電圖和肌電圖的高品質監測。
如能結合人工智慧對於健康數據的智慧分析，則能為居家連續健康診斷和疾病預警提供解決方案。
在人機互動上：
這種生物電子界面可以增強人體皮膚的感知功能和觸覺功能，能在不影響人體正常運動和皮膚正常觸覺功能的前提下增強感知能力。
這樣一來，使用者無需佩戴厚重的手套等裝置，也能實作出色的增強感知，進而能更好地用於運動分析和遊戲等場景。
此外，該團隊還研發出一款自適應打印技術，可以按需將該電子界面個人化地打印到人體或其它生物組織表面。
該打印技術能耗極低（僅需約 10W），且具備較強的普適性和通用性。
其不僅適用於已有的生物電子材料體系，也適用於新開發的其它材料體系。
研究中，課題組透過實驗證明基於酸堿顏色指示的纖維材料體系，能夠使用本次自適應打印技術進行打印。
由此可見，這種自適應打印技術可以充當一種平台型技術，為新材料和新功能的開發提供基礎的平台。
據介紹，生物電子界面——是溝通生命系統和人造裝置之間的重要橋梁，對於健康醫療、人機互動、基礎科學探究有著重要意義。
為了便於生命系統和電子裝置之間高效的資訊互動，生物電子界面要滿足和人體、或和其他生命系統的良好匹配與貼合。
即在不影響生物體正常生理功能的情況下實作傳感功能，這就要求新一代的生物電子器件必須具備良好的呼吸透氣性和柔軟性。
同時，還能與形態各異的生物組織實作個人化的貼合和適配。
然而，現有的智慧型手錶等可穿戴器件，並不能與人體緊密貼合，無法實作生理電訊號的即時互動與傳感。
近年來，智慧貼片等器件的開發，促使了這一領域的進步。
但是，當智慧貼片或其他貼合皮膚的薄膜電子界面被制備得越發輕薄和越發柔軟的同時，器件的轉移貼合便成為一個新的難題。
許多非常輕薄柔軟的薄膜器件，在轉移貼合的過程中很容易被損壞。而且，依舊難以實作與彎曲人體、或與其他生物組織的匹配貼合。
那麽，到底該如何實作「無感」生物電子器件的個人化制造？
首先, 來談談個人化——它指的是器件能夠適應形態各異的生物系統，也能適應生物系統的生長和自身的變化。
對於「無感」可以從以下兩個方面理解：
首先，器件本身要足夠的輕薄和透氣，並且具有和生物組織相似的柔性和可拉伸性。
其次，器件與生物體貼合匹配的過程也要「無感」。舉例來說，很多薄膜器件或貼皮式器件，都需要按壓等步驟來完成貼合。
而這對於許多柔軟的生物組織比如胚胎等，都會產生一定程度的損害。
因此，真正理想的器件與生物的結合，應該是一個能在無需外部施壓的條件下實作「無感」器件轉移貼合的匹配過程。
據介紹，王文宇的博士和博士後均在劍橋大學完成。當時，他所在的課題組致力於開發融合生命系統和人造裝置的器件。
新冠疫情期間，他們曾研發了 3D 打印型可穿戴呼吸傳感器。
基於上述成果，他們開展了本次研究，最終讓電子器件和生物系統的距離更進一步，從可穿戴即佩戴在口罩或身體表面的器件，發展到能夠實作與人體皮膚的無縫貼合。
然而，在剛開始這項研究的時候，他們發現要想實作傳感界面、與皮膚或生物組織的超級匹配的無縫貼合，會給個人化生物電子界面的制造帶來極大挑戰。
原因在於：傳統的傳感器制造工藝，都是基於平面和標準化的器件制造的。
然而，人體皮膚和其它很多生物組織，要麽是彎曲的、要麽是形態各異的，並且都處於不斷生長、或形態變化之中。
因此，盡管 3D 打印技術具備個人化制造的能力，但其設計路徑和路徑規劃都非常繁瑣，而且也難以適應生物體的即時生長變化。
後來，他們從蜘蛛結網中獲得了啟發。蜘蛛能根據自身所處的環境以自適應的方式結網。
不論是墻角還是樹叢，蜘蛛都能根據環境即時地調整蜘蛛網，而不像人類的傳統制造工藝那樣需要經歷設計建模、制造安裝等復雜過程。
在此啟發之下，他們研發了自適應的纖維打印工藝技術，其優勢在於無需提前進行建模和設計，即其打印和成形均依賴於目標生物組織的物理性狀。
這使得微奈米生物電子纖維在即時打印的過程中，能夠自適應地貼合植物、人體指頭、生物組織胚胎等表面。
同時，對於自適應打印技術來說，它是直接在生物組織上即時打印生物電子界面。
這不僅能免除器件轉移貼合等繁瑣步驟，也能提高器件的制造成功率。
並且，這種直接打印的過程，能讓生物電子纖維在尚未完全幹燥的情況下，與皮膚透過浸潤過程實作貼合，從而能夠免去器件貼合的額外步驟。
更重要的是，浸潤貼合的方式能讓生物電子纖維，與皮膚上幾十微米級別的特征比如指紋實作貼合和匹配。
再後來，透過最佳化材料體系和打印制造技術，他們打造了這種具有傳感功能的生物電子界面。
其能在人體皮膚、動物組織、植物上直接進行打印，進而實作「無感」的健康監測和增強感知。
研究期間，課題組還開展了誌願者人體實驗。
由於需要在人體測試傳感器件，並在不同的人身上打印該器件，以便測試打印工藝和傳感技術的可重復性。
因此，他們邀請劍橋大學不同學院的同學來參與實驗，這些同學分別來自數學、電腦、歷史、人文、工程、商科、建築等專業。
當他們來到實驗室親自感受自適應打印和傳感界面體驗時，王文宇發現與不同背景的同學交流很有意思。
比如，商科專業的同學很感興趣於本次技術的實用性，歷史專業的同學向研究人員講解了人類利用纖維的歷史行程、以及人類對觸覺和生理電訊號的認知歷史。這也讓他們得以從不同角度來重新看待本次課題。
最終，相關論文以【有機生物電子纖維對生命系統的無感增強】（Imperceptible augmentation of living systems with organic bioelectronic fibres）為題發在 Nature Electronics[1]。
王文宇是第一作者，劍橋大學教授 Yan Yan Shery Huang 擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Electronics）
目前，王文宇已經全職回國並加入香港科技大學（廣州），未來他計劃拓展材料體系，希望能夠實作多模態的感知。
參考資料：
1.Wang, W., Pan, Y., Shui, Y.et al. Imperceptible augmentation of living systems with organic bioelectronic fibres. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01174-4
排版：溪樹
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