新國大林藝良教授《自然·通訊》：可編程液態金屬纖維，讓電子紡織品擺脫應變干擾

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，推動人機交互和智能系統的發展。然而，傳統導電纖維通常表現出應變與電阻之間的正相關性——隨著拉伸程度增加，電阻也相應上升。這一特性在實際應用中帶來了嚴峻挑戰：人體運動引發的機械應變會嚴重干擾電子紡織品的性能。在應變響應型傳感紡織品中，非預期的應變會扭曲信號波形，導致數據解讀復雜化；而在能量收集、數據傳輸或熱管理應用中，應變引起的電阻增加會降低電氣性能，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實應用的關鍵瓶頸。

新加坡國立大學林藝良教授課題組提出了一種應變可編程纖維平臺，通過將液態金屬（LM）顆粒嵌入聚氨酯彈性體中，采用同軸濕法紡絲技術制備出復合纖維。這種纖維的機電響應可通過預應變和組分調控進行精確編程，呈現出負應變-電阻、混合應變-電阻或正應變-電阻三種行為模式。這一可調性源于應變誘導的液態金屬顆粒重構機制，通過幾何形變與導電網絡演化的平衡實現。基于這一功能，研究團隊展示了具有極性數字編碼的雙向應變傳感器，以及用于穩健能量收集、無線通信和熱管理的應變不變電路，為高性能、多功能電子紡織品提供了可擴展的材料級解決方案。相關論文以“Strain-programmable liquid metal fibers for anti-interference electronic textiles”為題，發表在Nature Communications上。

纖維設計與結構特征

研究團隊選擇鎵基液態金屬作為導電填料，因其具有高導電性、本征柔軟和可變形性等優點。聚氨酯作為一種熱塑性彈性體，提供了優異的彈性、可加工性和與濕法紡絲技術的兼容性。通過同軸濕法紡絲工藝，他們制備出具有核殼結構的纖維——外層聚氨酯鞘層提供機械封裝，內層液態金屬/聚氨酯復合物作為功能核心。掃描電鏡圖像清晰地展示了這一核殼結構，液態金屬顆粒均勻分布在聚氨酯基體中，纖維甚至可以打結并纏繞在筆上，展現出卓越的柔韌性。這種設計不僅確保了機械完整性和環境穩定性，還為引導液態金屬顆粒的定向重排提供了受限路徑。

圖1 | 基于應變可編程液態金屬纖維的設計策略、結構特征及應用。 a. 傳統導電纖維（表現出固定的、通常為正的應變-電阻響應）與應變可編程纖維（提供可調機電特性，包括負、正和應變不敏感狀態）的應變-電阻行為概念比較。 b. 用于制造應變可編程纖維的同軸濕法紡絲工藝示意圖及顯微圖像，該纖維具有液態金屬/聚氨酯復合芯和聚氨酯殼層。液態金屬/聚氨酯復合材料的掃描電鏡圖像（比例尺，300納米）和纖維打結圖像（比例尺，500微米）。纖維纏繞在筆上的光學圖像。比例尺，1厘米。 c. 由應變誘導的液態金屬顆粒重組所控制的可編程機電行為機理圖示。低、中、高預應變條件分別產生負、應變不敏感和正應變-電阻響應。 d. 將應變可編程纖維集成到可穿戴電子織物中用于抗干擾應用，包括抗運動傳感和穩定能量收集，展示了在動態環境中的穩健性能。

應變可編程機電行為

研究團隊對纖維進行了單軸拉伸測試，從0%拉伸至400%應變，同時監測電阻變化。與傳統導電纖維單調遞增的電阻響應不同，液態金屬纖維表現出非單調趨勢：電阻在約150%應變范圍內先下降，隨后在更高應變水平上升。更令人驚喜的是，通過引入受控水平的單軸預應變，這種應變依賴行為可以被重新編程。經歷低預應變的纖維因拉伸狀態下顆粒間接觸增強而呈現負應變-電阻行為；高預應變纖維則表現出傳統的正應變-電阻響應；而處于中間預應變水平的纖維進入一種應變不敏感狀態——相反效應相互抵消，在動態變形下保持穩定的電阻。

圖2 | 液態金屬纖維的結構表征與應變可編程機電行為。 a. 液態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構，液態金屬/聚氨酯復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外聚氨酯層之間的集成界面。比例尺，5微米。 b. 兩種機電測試方案示意圖：單次拉伸和增量循環應變。 c. 液態金屬纖維在單次拉伸循環（0-400%）和連續循環加載過程中的電阻響應。 d-f. 代表性ΔR曲線顯示可編程應變-電阻行為：d，負（50%應變），e，混合（100%應變），以及f，正（150%應變），每種均在五個應變循環中測試。

長期穩定性與雙參數調控

為了驗證編程狀態的耐久性，研究團隊對三種編程狀態分別進行了10,000次循環測試。結果顯示，負應變-電阻、混合應變-電阻和正應變-電阻關系在全部循環過程中保持穩定，僅在前期的電阻變化幅度略有調整后趨于穩定，證實了纖維在不同編程狀態下均具備可靠的長期運行能力。進一步研究發現，液態金屬體積分數是決定應變-電阻行為的關鍵設計參數。當液態金屬體積分數從62.2%降至38.8%時，混合過渡窗口從10-20%應變區間移動至110-150%應變區間。基于這些發現，研究團隊構建了可編程相圖，清晰描繪了不同預應變和液態金屬體積分數組合下的三種行為區間——負、混合、正，實現了機電行為的雙參數精準調控。

圖3 | 應變可編程行為的長期穩定性與區間可調性。 a. 在50%應變下的10,000次應變循環。插圖：第5、1,000、5,000和10,000次循環附近的電阻-應變狀態詳細曲線。電阻表現出與應變的穩定負相關，變化幅度先減小后穩定。 b. 在50%應變循環過程中四個代表性循環（第5、1,000、5,000和10,000次循環）的歸一化電阻變化。 c. 在100%應變下的10,000次應變循環。插圖：電阻表現出在整個應變循環中先減小后增加的混合響應趨勢。變化幅度在早期略有增加，然后趨于穩定。 d. 在100%應變循環過程中四個代表性循環的歸一化電阻變化。 e. 在150%應變下的10,000次應變循環。插圖：電阻在整個應變循環中與應變正相關，變化幅度在穩定前略有增加。 f. 在150%應變循環過程中四個代表性循環的歸一化電阻變化。 g. 循環測試中不同應變范圍內ΔR的演變，突出了從負到正應變-電阻的轉變。 h. 應變-電阻相圖顯示了在不同應變水平和組分下的三個可編程狀態——負、混合和正。

液態金屬顆粒重構機制

研究團隊通過計算電阻率演化發現，隨著應變增加，電阻率持續下降，表明液態金屬顆粒重排導致了纖維電網絡的根本性變化。掃描電鏡圖像揭示了不同應變水平下液態金屬顆粒的形態演變：未拉伸狀態下，顆粒均勻分散在聚氨酯基體中；拉伸至50%時，顆粒保持相對獨立但排列更加緊密，部分形成電接觸；在100%應變下，顆粒開始融合；在更高應變下，廣泛的顆粒融合形成連續導電網絡。基于這些觀察，研究人員提出了一個理論模型：拉伸應變促進相鄰液態金屬顆粒之間的物理接觸和融合，這共同增強了電連接性。這一應變驅動的重構機制源于兩個競爭效應的動態平衡——因顆粒間連接增強和導電路徑形成而產生的負電阻率變化，與因軸向伸長和橫截面變細而產生的正幾何因子變化相互制衡。

圖4 | 應變誘導的液態金屬顆粒重構及其對液態金屬基纖維機電行為的影響。 a. 歸一化長徑比隨應變的演變。實驗數據與假設泊松比為0.5的理論曲線（虛線）和使用實測泊松比校正后的值（實線）進行比較。 b. 單軸拉伸過程中電阻和計算電阻率的同步演變。由于液態金屬顆粒重構，液態金屬纖維的電阻率隨時間降低。 c. 不同應變水平下液態金屬/聚氨酯纖維橫截面的掃描電鏡圖像，顯示不同區域液態金屬顆粒逐漸接觸和合并。比例尺，2微米。 d. 液態金屬顆粒網絡在應變增加下的演變示意圖：（i）離散顆粒，（ii）顆粒接觸，（iii）部分顆粒合并，以及（iv）連續導電路徑。 e. 不同機電狀態下電阻率變化和幾何形變競爭貢獻的分析——液態金屬纖維的負、混合和正應變-電阻模式。

雙向傳感與人機交互

基于纖維的可編程特性，研究團隊開發了雙向應變傳感平臺。通過50%預應變編程的纖維呈現負應變-電阻行為，而150%預應變的纖維呈現正應變-電阻行為。這種基于極性的編碼將機械輸入轉化為高度直觀且抗干擾的輸出，無需復雜的波形分析。兩種纖維傳感器均表現出快速響應和恢復速度（50毫秒內），滿足人體運動識別的需求。研究團隊將這些纖維集成到可穿戴雙交互系統中用于手勢輸入：手指向一個方向彎曲觸發負電阻變化，向相反方向彎曲則產生正響應。當兩根纖維并聯連接時，單通道輸出可同時捕獲兩個信號方向。電阻的增加和減少被轉換為二進制數字輸出——“1”和“0”，使機械運動能夠實時轉化為數字信息。作為功能演示，交替彎曲手指生成的二進制輸入序列成功編碼了“NUS”（新加坡國立大學）字母，實現了高保真傳輸，理論識別精度達到100%。

圖5 | 液態金屬纖維中應變誘導電阻率演變的建模與實驗驗證。 a. 液態金屬顆粒在應變下重構的示意圖，顯示通過顆粒伸長、接觸和合并逐步形成導電路徑。應變促進從離散到連續電氣網絡的轉變。 b. 代表液態金屬纖維中從離散到合并導電路徑轉變的等效電路演變。 c. 應變期間液態金屬顆粒接觸增加導致電壓降減小（電阻減小）的有限元模擬。 d. 并聯傳導模型對實驗電阻數據的擬合。該模型在低應變（<25%）下吻合良好，但在較高應變下出現偏差，表明顆粒合并等額外機制在較高應變下占主導地位。 e. 纖維中使用的液態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. 計算的徑向壓應力與基于拉普拉斯壓力的顆粒破裂閾值之間的比較，表明當壓應力超過破裂極限時，顆粒合并在約30%應變后啟動。 g. 混合并聯-串聯模型在整個應變范圍內與實驗電阻數據表現出極好的一致性，證實了其捕捉液態金屬纖維非線性機電行為的能力。

圖6 | 使用可編程液態金屬纖維的人機交互雙模式應變傳感系統。 a. 通過50%和150%預應變編程的液態金屬纖維的機電響應，分別表現出明顯的負和正應變-電阻行為。 b. 循環應變測試顯示液態金屬纖維在多次加載循環中穩定且可重復的雙向響應。 c. 正和負應變-電阻纖維的頻率依賴性能，顯示在不同驅動速度下一致的信號極性。 d. 基于單向和雙向應變傳感的單交互和雙交互系統的概念圖示。 e. 兩種編程液態金屬纖維響應手指彎曲的不同電阻變化，信號幅度隨彎曲角度增加而增大。 f. 并聯連接的雙纖維連續輸出，使單通道系統能夠同時捕獲正負響應。 g. 使用雙向纖維響應的實時信息編碼，通過手指運動生成二進制信號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、無線通信和熱調節等應用中，日常穿著和身體運動帶來的非受控應變會引起電阻波動，降低能量轉換效率，扭曲信號傳輸。為解決這一挑戰，研究團隊利用應變可編程特性設計了電阻穩定的應變不敏感導體。纖維被預拉伸至100%以達到混合應變-電阻狀態——位于負和正響應區間的交叉點，競爭性電阻效應相互抵消，電阻波動極小。研究團隊使用刺繡液態金屬纖維制備了具有應變彈性的近場通信（NFC）紡織天線。這種纖維直徑與商業紗線相當，可與標準縫紉針兼容，易于集成到彈性織物中。刺繡電路保留了混合態機電行為，在60%應變范圍內電阻波動極小（ΔR/R? < ±0.4%）。在四種不同的環境應力測試（洗滌、高濕度、機械變形及皮膚附著）下，設備均表現出穩定的運行穩定性，工作頻率始終保持在13.56 MHz附近。這些結果證明，應變可編程液態金屬纖維為構建下一代可穿戴電子紡織品中的可拉伸通信系統提供了穩健且可擴展的平臺。

圖7 | 基于應變可編程液態金屬纖維的可拉伸NFC紡織品天線。 a. 通過纖維刺繡技術在彈性織物上使用液態金屬纖維制造可拉伸NFC電路。纖維的紗線級直徑使其與標準紡織品制造兼容。比例尺：3毫米（左），5毫米（右）。 b. 刺繡NFC電路在100%應變下的應變-電阻行為，在60%應變內顯示最小電阻波動（ΔR/R? < ±0.4%），對于穩定信號傳輸至關重要。 c. 可拉伸NFC天線工作原理示意圖，通過磁場耦合實現無線能量和數據交換。 d. NFC天線在未拉伸和拉伸狀態下的交流電壓曲線和功能演示，確認了穩健的信號完整性和13.56 MHz附近的穩定工作頻率。 e. NFC天線在未拉伸和拉伸狀態下運行的光學圖像和電壓值。 f. 實際應用過程中的信號傳輸過程和光學圖像。 g. NFC紡織品天線在四種不同狀態下運行的光學圖像和交流電壓。

抗干擾熱管理

溫度調節紡織品對于提升用戶舒適度、生理健康和熱效率至關重要。憑借優異的電熱性能，液態金屬纖維在可拉伸織物的熱管理方面展現出獨特優勢。通過預應變編程，研究團隊實現了應變不敏感加熱纖維。在恒定電壓下運行時，即使經歷機械變形，加熱溫度仍保持顯著穩定，在不同應變狀態下表現出最小的熱波動。這種應變不敏感加熱行為實現了精確的熱控制，這是傳統可拉伸加熱器因應變誘導電阻變化而難以實現的。

總結與展望

這項研究報道了一種應變可編程纖維平臺，成功克服了可穿戴電子設備中的應變誘導干擾問題。通過同軸濕法紡絲將液態金屬顆粒嵌入聚氨酯基體，研究團隊制備出機電響應可調的纖維——通過預應變和液態金屬組分編程，實現從負到混合再到正應變-電阻的連續調控。這一行為源于幾何形變與液態金屬顆粒重構之間的平衡，實驗與理論框架共同捕獲了這一機制。利用這種可調性，研究團隊展示了用于傳感和功能應用的抗干擾電子紡織品：雙向纖維實現了基于極性的信號編碼，而應變不敏感纖維確保了能量收集和通信電路中的穩定性能。這種可編程方法為下一代智能紡織品提供了一種可擴展、多功能的策略，對人機交互和自適應電子學具有廣泛的應用前景。