想象一下：当在你的手指尖打印上一种几乎「无感」的微纳米生物电子纤维，随后当你触碰到别人的时候，就能同时读取自己和对方的心电信号......
这并不是幻想，而是清华本科校友、英国剑桥大学博士毕业生、目前已全职加入香港科技大学（广州）的王文宇的最新论文成果。
图 | 王文宇（来源：王文宇）
他表示，如果将这种技术用于婴幼儿的健康监测，无需在婴儿身上连接任何器件和贴片，只需在父母手上打印这种生物电子纤维，当父母抱起婴儿时，就可以检测到婴儿的心电信号。
总的来说，本次报道的生物电子纤维，可以个性化地贴合于人体和多种生物组织表面。
其轻薄透气的特性让人们几乎感受不到纤维的物理存在，实现了从超舒适「无感」健康监测、有机电化学二极管、植物与电子织物传感界面的广阔应用，开拓了绿色可持续的自定义生物电子器件。
目前，基于这项成果，研究人员已在剑桥大学产业转化中心的支持下申请了国际专利。
概括来说，本次成果最有希望用于智能健康和人机交互。
在智能健康上：
这种「无感」生物电子界面可以实现长时间舒适的电生理监测，在佩戴者几乎感受不到该界面物理存在的情况下，实现心电图和肌电图的高质量监测。
如能结合人工智能对于健康数据的智能分析，则能为居家连续健康诊断和疾病预警提供解决方案。
在人机交互上：
这种生物电子界面可以增强人体皮肤的感知功能和触觉功能，能在不影响人体正常运动和皮肤正常触觉功能的前提下增强感知能力。
这样一来，用户无需佩戴厚重的手套等设备，也能实现出色的增强感知，进而能更好地用于运动分析和游戏等场景。
此外，该团队还研发出一款自适应打印技术，可以按需将该电子界面个性化地打印到人体或其它生物组织表面。
该打印技术能耗极低（仅需约 10W），且具备较强的普适性和通用性。
其不仅适用于已有的生物电子材料体系，也适用于新开发的其它材料体系。
研究中，课题组通过实验证明基于酸碱颜色指示的纤维材料体系，能够使用本次自适应打印技术进行打印。
由此可见，这种自适应打印技术可以充当一种平台型技术，为新材料和新功能的开发提供基础的平台。
据介绍，生物电子界面——是沟通生命系统和人造设备之间的重要桥梁，对于健康医疗、人机交互、基础科学探究有着重要意义。
为了便于生命系统和电子设备之间高效的信息交互，生物电子界面要满足和人体、或和其他生命系统的良好匹配与贴合。
即在不影响生物体正常生理功能的情况下实现传感功能，这就要求新一代的生物电子器件必须具备良好的呼吸透气性和柔软性。
同时，还能与形态各异的生物组织实现个性化的贴合和适配。
然而，现有的智能手表等可穿戴器件，并不能与人体紧密贴合，无法实现生理电信号的实时交互与传感。
近年来，智能贴片等器件的开发，促使了这一领域的进步。
但是，当智能贴片或其他贴合皮肤的薄膜电子界面被制备得越发轻薄和越发柔软的同时，器件的转移贴合便成为一个新的难题。
许多非常轻薄柔软的薄膜器件，在转移贴合的过程中很容易被损坏。而且，依旧难以实现与弯曲人体、或与其他生物组织的匹配贴合。
那么，到底该如何实现「无感」生物电子器件的个性化制造？
首先, 来谈谈个性化——它指的是器件能够适应形态各异的生物系统，也能适应生物系统的生长和自身的变化。
对于「无感」可以从以下两个方面理解：
首先，器件本身要足够的轻薄和透气，并且具有和生物组织相似的柔性和可拉伸性。
其次，器件与生物体贴合匹配的过程也要「无感」。举例来说，很多薄膜器件或贴皮式器件，都需要按压等步骤来完成贴合。
而这对于许多柔软的生物组织比如胚胎等，都会产生一定程度的损害。
因此，真正理想的器件与生物的结合，应该是一个能在无需外部施压的条件下实现「无感」器件转移贴合的匹配过程。
据介绍，王文宇的博士和博士后均在剑桥大学完成。当时，他所在的课题组致力于开发融合生命系统和人造设备的器件。
新冠疫情期间，他们曾研发了 3D 打印型可穿戴呼吸传感器。
基于上述成果，他们开展了本次研究，最终让电子器件和生物系统的距离更进一步，从可穿戴即佩戴在口罩或身体表面的器件，发展到能够实现与人体皮肤的无缝贴合。
然而，在刚开始这项研究的时候，他们发现要想实现传感界面、与皮肤或生物组织的超级匹配的无缝贴合，会给个性化生物电子界面的制造带来极大挑战。
原因在于：传统的传感器制造工艺，都是基于平面和标准化的器件制造的。
然而，人体皮肤和其它很多生物组织，要么是弯曲的、要么是形态各异的，并且都处于不断生长、或形态变化之中。
因此，尽管 3D 打印技术具备个性化制造的能力，但其设计路径和路径规划都非常繁琐，而且也难以适应生物体的实时生长变化。
后来，他们从蜘蛛结网中获得了启发。蜘蛛能根据自身所处的环境以自适应的方式结网。
不论是墙角还是树丛，蜘蛛都能根据环境实时地调整蜘蛛网，而不像人类的传统制造工艺那样需要经历设计建模、制造安装等复杂过程。
在此启发之下，他们研发了自适应的纤维打印工艺技术，其优势在于无需提前进行建模和设计，即其打印和成形均依赖于目标生物组织的物理性状。
这使得微纳米生物电子纤维在实时打印的过程中，能够自适应地贴合植物、人体指头、生物组织胚胎等表面。
同时，对于自适应打印技术来说，它是直接在生物组织上实时打印生物电子界面。
这不仅能免除器件转移贴合等繁琐步骤，也能提高器件的制造成功率。
并且，这种直接打印的过程，能让生物电子纤维在尚未完全干燥的情况下，与皮肤通过浸润过程实现贴合，从而能够免去器件贴合的额外步骤。
更重要的是，浸润贴合的方式能让生物电子纤维，与皮肤上几十微米级别的特征比如指纹实现贴合和匹配。
再后来，通过优化材料体系和打印制造技术，他们打造了这种具有传感功能的生物电子界面。
其能在人体皮肤、动物组织、植物上直接进行打印，进而实现「无感」的健康监测和增强感知。
研究期间，课题组还开展了志愿者人体实验。
由于需要在人体测试传感器件，并在不同的人身上打印该器件，以便测试打印工艺和传感技术的可重复性。
因此，他们邀请剑桥大学不同学院的同学来参与实验，这些同学分别来自数学、计算机、历史、人文、工程、商科、建筑等专业。
当他们来到实验室亲自感受自适应打印和传感界面体验时，王文宇发现与不同背景的同学交流很有意思。
比如，商科专业的同学很感兴趣于本次技术的实用性，历史专业的同学向研究人员讲解了人类利用纤维的历史进程、以及人类对触觉和生理电信号的认知历史。这也让他们得以从不同角度来重新看待本次课题。
最终，相关论文以【有机生物电子纤维对生命系统的无感增强】（Imperceptible augmentation of living systems with organic bioelectronic fibres）为题发在 Nature Electronics[1]。
王文宇是第一作者，剑桥大学教授 Yan Yan Shery Huang 担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Electronics）
目前，王文宇已经全职回国并加入香港科技大学（广州），未来他计划拓展材料体系，希望能够实现多模态的感知。
参考资料：
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
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