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(tǒng)的發(fā)展。然而，傳統(tǒng)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(zhàn)：人體運動引發(fā)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(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(tài)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(wěn)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(fā)表在Nature Communications上。

纖維設計與結構特征

研究團隊選擇鎵基液態(tài)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(yōu)點。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(tài)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(tài)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(huán)境穩(wěn)定性，還為引導液態(tài)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(tài)金屬纖維的設計策略、結構特征及應用。 a. 傳統(tǒng)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(tài)）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(tài)金屬/聚氨酯復合芯和聚氨酯殼層。液態(tài)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(tài)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(wěn)定能量收集，展示了在動態(tài)環(huán)境中的穩(wěn)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(jiān)測電阻變化。與傳統(tǒng)導電纖維單調遞增的電阻響應不同，液態(tài)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(tài)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(tǒng)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(tài)——相反效應相互抵消，在動態(tài)變形下保持穩(wěn)定的電阻。

圖2 | 液態(tài)金屬纖維的結構表征與應變可編程機電行為。 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構，液態(tài)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(huán)應變。 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。 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(huán)中測試。

長期穩(wěn)定性與雙參數調控

為了驗證編程狀態(tài)的耐久性，研究團隊對三種編程狀態(tài)分別進行了10,000次循環(huán)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(huán)過程中保持穩(wěn)定，僅在前期的電阻變化幅度略有調整后趨于穩(wěn)定，證實了纖維在不同編程狀態(tài)下均具備可靠的長期運行能力。進一步研究發(fā)現，液態(tài)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(tài)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(qū)間移動至110-150%應變區(qū)間?；谶@些發(fā)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(tài)金屬體積分數組合下的三種行為區(qū)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(wěn)定性與區(qū)間可調性。 a. 在50%應變下的10,000次應變循環(huán)。插圖：第5、1,000、5,000和10,000次循環(huán)附近的電阻-應變狀態(tài)詳細曲線。電阻表現出與應變的穩(wěn)定負相關，變化幅度先減小后穩(wěn)定。 b. 在50%應變循環(huán)過程中四個代表性循環(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%應變下的10,000次應變循環(huán)。插圖：電阻表現出在整個應變循環(huán)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(wěn)定。 d. 在100%應變循環(huán)過程中四個代表性循環(huán)的歸一化電阻變化。 e. 在150%應變下的10,000次應變循環(huán)。插圖：電阻在整個應變循環(huán)中與應變正相關，變化幅度在穩(wěn)定前略有增加。 f. 在150%應變循環(huán)過程中四個代表性循環(huán)的歸一化電阻變化。 g. 循環(huán)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(tài)——負、混合和正。

液態(tài)金屬顆粒重構機制

研究團隊通過計算電阻率演化發(fā)現，隨著應變增加，電阻率持續(xù)下降，表明液態(tài)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(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，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(xù)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(tài)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(tài)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(tài)金屬顆粒重構及其對液態(tài)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(tài)金屬顆粒重構，液態(tài)金屬纖維的電阻率隨時間降低。 c. 不同應變水平下液態(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(xù)導電路徑。 e. 不同機電狀態(tài)下電阻率變化和幾何形變競爭貢獻的分析——液態(tài)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(fā)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(tǒng)中用于手勢輸入：手指向一個方向彎曲觸發(fā)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(lián)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?zhèn)鬏?，理論識別精度達到100%。

圖5 | 液態(tài)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(tài)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(xù)電氣網絡的轉變。 b. 代表液態(tài)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(tài)金屬顆粒接觸增加導致電壓降減小（電阻減?。┑挠邢拊M。 d. 并聯(lián)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(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(lián)-串聯(lián)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(tài)金屬纖維非線性機電行為的能力。

圖6 | 使用可編程液態(tài)金屬纖維的人機交互雙模式應變傳感系統(tǒng)。 a. 通過50%和150%預應變編程的液態(tài)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(huán)應變測試顯示液態(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(tǒng)的概念圖示。 e. 兩種編程液態(tài)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(lián)連接的雙纖維連續(xù)輸出，使單通道系統(tǒng)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(jié)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(zhàn)，研究團隊利用應變可編程特性設計了電阻穩(wěn)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(tài)——位于負和正響應區(qū)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(tài)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(yè)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(tài)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(huán)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(wěn)定的運行穩(wěn)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(tài)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(tǒng)提供了穩(wěn)健且可擴展的平臺。

圖7 | 基于應變可編程液態(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(wěn)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(tài)下的交流電壓曲線和功能演示，確認了穩(wěn)健的信號完整性和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(tài)下運行的光學圖像和交流電壓。

抗干擾熱管理

溫度調節(jié)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(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出獨特優(yōu)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(wěn)定，在不同應變狀態(tài)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(tǒng)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(tài)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(tài)金屬組分編程，實現從負到混合再到正應變-電阻的連續(xù)調控。這一行為源于幾何形變與液態(tài)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(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。