科学家把电路系统“纺”进纤维里

中国科学院院士、东华大学教授朱美芳与该校研究员王刚等，通过微流控编码纺丝，将电子器件及其连接关系融入连续纤维的内部结构，实现纤维成形与电路构筑同步进行，让纤维本身成为电路，在提升多模态感知、信息处理与交互能力的同时，更好地适应机器人的复杂形态与运动变化，为具身智能应用提供了更多可能。相关研究成果近日发表于《自然-电子学》。

电路纤维概念图。东华大学供图

发展具身智能，需要电子系统适应机器人的复杂形态与运动变化。柔软、可弯曲的纤维为电子功能融入这些结构提供了新的载体。然而，从单个纤维器件走向功能电路，必须同时解决材料排布、器件结构和电连接问题。如何在纤维成形过程中将这些环节协同起来，是纤维电子走向系统集成的关键。

研究团队通过精密流体设计，将电路布局转化为纺丝程序。在纤维横截面上，调控导电、绝缘、发光或半导体材料的流体性质，形成稳定、功能各异的层结构；沿纤维长度方向，通过调节各路纺丝液的输入，使功能层按设计连续或间断，形成器件之间的电连接。这一过程以流体编码电路，将设计好的材料组合与流体输入程序“写入”纤维内部的器件结构与连接关系。纤维的材料层次、器件结构和电路互连随成形过程共同建立，让纤维本身成为电路。

在此基础上，团队构筑了彩色电致发光、模拟信号处理、数字逻辑运算和非接触空间感知等模块，并进一步将晶体管、电阻、电容等不同类型器件按设计互连，在单根纤维内实现可调滤波电路、反相器等电路功能，展示了按功能需求设计和制造纤维电路的能力。

在应用验证中，研究团队将用此方法制备的空间感知纤维布置在机械臂的夹爪内侧，目标接近或移动引起电场耦合变化，可以据此计算目标位置并驱动机械臂，实现目标的自动跟踪。另一组实验中，研究团队利用纤维组成的柔性交互界面及配套系统，实现了手指对机械臂和无人机的非接触控制。