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电子蜘蛛丝传感器可以直接打印在皮肤上
研究人员开发出一种制作适应性强、环保的传感器的方法，这些传感器可以直接而且隐形地印刷在各种生物表面上，无论是手指还是花瓣。
这种方法由剑桥大学的研究人员开发，灵感来自于蜘蛛丝，它可以适应并粘附在各种表面上。这些“蜘蛛丝”还融合了生物电子学，因此可以向“网”中添加不同的感知功能。
这些纤维比人的头发细至少50倍，非常轻盈，以至于研究人员将它们直接印刷在蒲公英的绒毛状种子头上而不会使其结构坍塌。当印刷在人体皮肤上时，纤维传感器会与皮肤紧密贴合，并暴露出汗孔，因此佩戴者不会察觉它们的存在。将这些纤维印刷在人手指上进行的测试表明，它们可以用作连续的健康监测器。
这种低浪费、低排放的生物结构增强方法可以在医疗保健、虚拟现实、电子纺织品和环境监测等多个领域中使用。这项研究结果已经在《自然·电子学》杂志上发表。
尽管人体皮肤非常敏感，但通过电子传感器对其进行增强可能会从根本上改变我们与周围世界的互动方式。例如，直接印刷在皮肤上的传感器可以用于连续的健康监测，了解皮肤感觉，或者可以改善游戏或虚拟现实应用中的“现实”感。
尽管嵌入传感器的可穿戴技术，如智能手表，已经广泛可用，但这些设备可能会令人感到不舒服、突兀，并且可能会抑制皮肤的固有感觉。
剑桥大学工程系的研究领导者、剑桥大学工程系的严沿Shery Huang教授说：“如果你想准确地感知生物表面上的任何东西，比如皮肤或叶子，设备和表面之间的界面至关重要。” “我们还希望生物电子设备对用户完全不可感知，以便它们不会以任何方式干扰用户与世界的互动，并且我们希望它们是可持续和低浪费的。”
制造可穿戴传感器的方法有很多，但这些方法都有缺点。例如，柔性电子器件通常印刷在不透气的塑料薄膜上，因此就像是用保鲜膜包裹皮肤一样。其他研究人员最近开发出了气体透过的柔性电子器件，就像人工皮肤一样，但这些仍会干扰正常的感觉，并依赖于能耗高、废料多的制造技术。
3D打印是另一种生物电子学的潜在途径，因为它比其他生产方法更少浪费，但会导致更厚的设备，可能会干扰正常行为。纺织电子纤维会产生对用户不可感知的设备，但没有高度的敏感性或复杂性，并且很难将其转移到所需的物体上。
现在，由剑桥大学领导的团队已经开发出了一种制造高性能生物电子学的新方法，可以直接将其印刷在不同生物表面上，从指尖到蒲公英绒球，这些生物表面可以根据需要进行定制。他们的技术部分灵感来自蜘蛛，它们利用最少的材料在其环境中创造出复杂而坚固的网状结构。
研究人员将他们的生物电子“蜘蛛丝”从PEDOT:PSS(一种生物相容性导电聚合物)、透明质酸和聚乙烯醇中纺制而成。这种高性能纤维是从水基溶液中在室温下制备的，这使研究人员能够控制纤维的“纺丝性”。然后，研究人员设计了一种轨道纺丝方法，使纤维可以变形到生物表面，甚至到指纹等微结构。
对生物电子纤维的测试，包括在人手指和蒲公英绒球等表面上，表明它们提供了高质量的传感器性能，同时对主机来说是不可察觉的。
该方法使生物电子纤维可以遵循不同形状的解剖学，在微观和宏观尺度上，而无需进行任何图像识别。这项研究开辟了生产大面积传感器的一种全新方式。
大多数高分辨率传感器是在工业洁净室中制造的，需要使用多种有毒化学品进行多步骤和能耗高的制造过程。剑桥开发的传感器可以在任何地方制造，并且只需常规传感器所需能量的一小部分。
这种可修复的生物电子纤维在其寿命结束时可以简单地洗掉，并且产生的废物少于一毫克：相比之下，典型的一次洗衣可以产生600至1500毫克的纤维废物。
黄教授说：“使用我们简单的制造技术，我们几乎可以将传感器放置在任何地方，并在需要时在何时何地对其进行修复，而无需大型印刷机或集中式制造设施。” “这些传感器可以按需制造，就在需要的地方，并且产生最小的废物和排放。”
研究人员表示，他们的设备可以用于从健康监测和虚拟现实到精准农业和环境监测的各种应用。将来，其他功能材料可以纳入这种纤维印刷方法，以建立集成纤维传感器，用于增强生物系统的显示、计算和能量转换功能。该研究正在得到剑桥创新企业公司、剑桥大学的商业化支持。
该研究部分得到了欧洲研究理事会、威尔康、皇家学会和英国研究创新部(UKRI)的生物技术和生物科学研究理事会(BBSRC)的部分支持。
本文译自 University of Cambridge，由 BALI 编辑发布。