npj flexible electronics | 柔性纤维电极：韩国团队实现抗弯抗洗、可同时监测多部位的无源织物传感

当前，无线体域网（WBAN）是实现实时、持续健康监测的理想框架。然而，其主流技术路线正面临一个根本性的矛盾：功能性与舒适性、耐用性难以兼得。

基于芯片的方案（如蓝牙、RFID）虽然通信稳定、功能强大，但刚性的硅基集成电路和必需的电池是其阿喀琉斯之踵。即便将其贴在柔性基底上，其整体可变形能力仍然有限，在人体日常活动中可能产生异物感，甚至成为安全隐患。长期穿戴的舒适性和机械稳定性大打折扣。

无芯片方案（基于LC谐振器）为此提供了曙光，它依靠被动元件（电感L、电容C）工作，无需电池，理论上更柔软。但现有技术大多仍将金属箔天线“贴附”在织物表面，这不仅破坏了纺织品的自然质地，更在反复洗涤和动态变形中面临机械稳定性差、易分层脱落的风险。更重要的是，多数系统只能读取单一位置的传感器信号，或者依赖复杂的垂直堆叠线圈结构来实现多路复用，极大地牺牲了灵活性与穿戴舒适度。一个能够无缝融入日常衣物，并能同时监测身体多个分布式部位的真正意义上的“全织物”网络，一直是个悬而未决的挑战。

团队的核心创新在于两大支柱：材料革新与架构革命。

图1：织物基体感器网络的设计与制备。a 集成于可穿戴服装中的织物基体感器网络示意图，可在体力活动期间实现稳健的多节点传感。该系统通过与外部读出线圈的感应耦合，支持无芯片无源传感器的无线复用读出。b 单节点与多节点 tBSN 配置的对比。c tBSN 的工作原理与结构布局。示意图展示了外部读取线圈与织物基传感器网络之间的信号传输与磁耦合。下方照片展示了 tBSN 的中心枢纽天线、互连导线及本地天线。d 通过原位化学形成工艺制备的 AgNP 基柔性纤维电极照片。e 展示纤维电极表面 AgNP 均匀分布的 SEM 图像。f 纤维电极电阻随原位形成循环次数（最多 5 次）的变化。g 纤维电极在弯曲半径为 2.734 mm 条件下经过 2000 次弯曲循环的耐久性测试。插图：初始弯曲循环期间电阻变化的放大视图。

传统的柔性导线是“外柔内刚”，而该团队开发的银纳米颗粒（AgNP）复合纤维电极是“内外皆柔”。他们通过一种巧妙的“原位形成”工艺，将大量AgNP均匀、致密地嵌入包裹在尼龙纤维外的弹性聚合物基体（SBS）中。这使得纤维本身既是高导电体（0.22 Ω/cm），又拥有类似橡胶的机械性能，在经历2000次弯曲循环后电导率依然稳定。这为编织“电路”打下了物质基础。

这是系统的灵魂级架构创新。他们摒弃了传统的复杂布线或堆叠结构，提出了一种简洁而优雅的“同心多中心”设计：

图2：单节点 tBSN 的电磁与机械特性表征。a 用于制备织物基体感器网络的数字刺绣工艺示意图。通过可编程刺绣机将计算机设计的天线图案刺绣至常规纺织品上。b 数字刺绣于织物基底上的单节点传感器网络照片，由枢纽天线、互连导线及本地天线构成。c 体感器网络与外部读取线圈及无源传感器耦合的集总元件电路模型。无源传感器可为容性和/或感性，响应外部刺激时会改变网络的谐振频率。d 不同匝数（3、5、10、15、20 匝）的织物基天线线圈照片，固定外径为 42 mm，匝间距为 0.5 mm。比例尺：2 cm。e 不同匝数天线线圈的电磁性能：（i）实测与仿真的谐振频率随匝数变化曲线；（ii）相应线圈的 S₁₁ 频谱。f 展示不同填充因子（从左至右：0.194、0.269、0.356、0.456、0.569）的织物基天线线圈照片，固定外径为 42 mm，匝数为 5。比例尺：2 cm。g 不同填充因子天线线圈的电磁性能：（i）实测与仿真的谐振频率随填充因子变化曲线；（ii）对应的 S₁₁ 频谱。h 互连长度分别为 50 cm 和 100 cm 的单节点传感器网络的磁场强度 |H| 仿真分布图。比例尺：3 cm。i 互连长度分别为 10、20、30、40 cm 的单节点传感器网络的实测 S₁₁ 频谱。j 织物基传感器网络在弯曲半径为 4.5 mm 条件下经历最多 10,000 次弯曲变形循环时的 S₁₁ 频谱。插图：织物基传感器网络在最多 10,000 次重复循环变形期间谐振频率的变化。k 织物基传感器网络在最多 10 次重复洗涤循环期间谐振频率的变化。

图3：通过同心多中心天线设计实现的多节点 tBSN。a 由三个同心单节点传感器网络构成的 tBSN 照片，每个网络的中心天线直径各不相同。b S₁₁ 频谱，显示 tBSN 中各个传感器网络节点清晰分离的谐振峰。c 各传感器网络在不同弯曲半径的弯曲变形下的谐振频率。d 展示外部读取线圈与中心天线之间垂直（z 方向）间距的照片。e tBSN 的 S₁₁ 频谱，作为读取线圈与 tBSN 之间垂直间距增大的函数。f 展示读取线圈与中心天线之间角度错位的照片。g tBSN 的 S₁₁ 频谱，作为角度错位（0° 至 30°）增大的函数。h 展示读取线圈与中心天线沿 x 方向横向错位的照片。i tBSN 的 S₁₁ 频谱，作为 x 方向错位（0 至 4 mm）增大的函数。j tBSN 的 S₁₁ 频谱，作为 x 方向错位（0 至 4 mm）增大的函数。k tBSN 的 S₁₁ 频谱，对应 y 方向位移（0 至 4 mm）的增大。l tBSN 在同心单节点传感器网络数量（N = 3 至 6）增加时的磁场强度 |H| 仿真图，显示各本地天线处空间上分离的磁场热点。比例尺：5 cm。

研究团队用一系列严苛的实验，证明了tBSN不仅是一个精巧的概念，更是一个坚固耐用的系统。

图4：通过集成 tBSN 的服装无线监测生物力学运动。a 描绘股外侧肌在膝关节运动与步态康复中作用的示意图。b 耦合了两个无芯片无源应变传感器的 tBSN 系统的实测 S₁₁ 频谱，显示出分别对应两个传感器的清晰谐振峰。c–e 当一个或两个传感器受应变时，通过 tBSN 对传感器响应进行的无线监测。（i）S₁₁ 频谱显示三种条件下的频率偏移（从左至右）：应变施加于传感器网络 1 的无源传感器、传感器网络 2 的无源传感器，以及同时施加于两个网络。（ii）相同三种条件下谐振频率偏移的连续追踪，证实了对无源传感器独立且同步的监测，且串扰极低。f 集成 tBSN 的服装照片，其两个本地天线线圈分别位于 VL 与膝关节区域附近（未安装无源应变传感器）。g 展示 VL 肌肉动力学与膝关节运动之间生物力学关系的示意图。h 膝关节屈曲期间，VL 与膝关节区域同时受应变时，集成 tBSN 服装的 S₁₁ 频谱，显示出清晰且可区分的频率响应。i 展示使用集成 tBSN 服装实时监测腿部屈伸运动中 VL 与膝关节运动的实验设置照片。j 对应于重复膝关节屈伸循环的归一化谐振频率变化，显示出两个传感器节点的同步响应。

单节点网络在长达40厘米的互联导线距离下，仍能保持稳定无线传输，这足以覆盖身体主要关节距离。其谐振频率在10,000次剧烈弯曲和10次标准机洗后，偏移可忽略不计。

在实际穿戴中，读取线圈与衣物天线难免会发生错位。实验表明，即使存在4毫米的横向偏移、30度的角度倾斜，系统虽信号强度有所下降，但各节点的谐振峰依然清晰可辨，保证了监测的连续性。人体介电负载的影响也得到了有效控制。

他们将一个双节点的tBSN绣入一条运动裤中，两个本地天线分别对准股外侧肌（VL） 和膝关节，并连接无源应变传感器。实验清晰地展示了：

  1. 步态监测：在步行和跑步机上行走时，系统能同步捕捉到膝关节屈伸和伴随的VL肌肉拉伸/收缩产生的独特频率偏移。

 2. 康复训练监测：在腿部屈伸练习中，系统能稳定记录下动作的重复周期和幅度。

核心论断：“通过追踪tBSN在中央中心天线的反射系数谱，所有传感器节点的无线响应可以被并发收集。这种同心配置使得与每个传感器网络对应的独特谐振频率能够被同时监测。”

如果这项技术能够成功商业化，它将对多个领域产生范式转移级别的影响：

为骨科术后、中风患者提供长期、无感、精准的在家运动功能评估方案。医生可以基于连续、客观的关节活动度与肌力数据，远程调整康复计划。

为专业运动员和健身爱好者提供前所未有的全身多点生物力学分析。教练可以精细分析运动姿态，预防损伤，优化技术动作。

极致的柔软和集成度，使其成为下一代VR/AR或外骨骼机器人理想的本体感知输入界面，实现更自然的人机协同。

无缝融入内衣、睡衣等日常服装，实现对老年人跌倒风险、睡眠质量或慢性病患者日常活动能力的全天候、无扰式监护。

尽管前景广阔，我们必须以审慎的眼光看待这项突破：

传感器网络本身是无源无线的，但读取设备仍需有线连接并靠近衣物。这限制了其在“完全自由活动”场景下的应用。实现真正意义上的长距离、全无线读取是下一个工程难题。

实验表明，汗水（模拟为PBS溶液）会因改变介电环境而影响信号质量（峰值展宽、衰减）。虽然仍可区分，但在高强度运动导致大量出汗的极端情况下，信号可靠性需要进一步验证和优化。

虽然数字刺绣工艺适合定制化和小批量生产，但如何实现低成本、高效率的大规模生产，并保证每一件“智能服装”电性能的一致性，是产业化的必经门槛。

技术解决了“如何无感地采集数据”，但海量的、连续的生物力学数据如何转化为有临床或健康指导意义的洞见，需要强大的算法和医学知识结合。同时，这些高度个人化的身体数据的安全与隐私保护，也必须从设计之初就纳入考量。

这项研究最重要的价值，在于它清晰地展示了一条通往“终极可穿戴设备”的技术路径——监测系统将如布料本身一样柔软、耐用且无形。它点燃了希望，但要让这火花形成燎原之势，跨越从实验室原型到消费产品的“死亡之谷”，仍需跨学科工程师、产品经理和临床医生共同的、持续的努力。