由电子蜘蛛丝制成的隐形传感器可直接打印在人体皮肤上

剑桥大学研究人员开发的这一方法灵感来自蜘蛛丝，这种材料可以贴合并粘附在各种表面上。这些“蜘蛛丝”还结合了生物电子学，因此可以为“蜘蛛网”添加不同的传感功能。

这些纤维至少比人类头发小50倍，重量极轻，研究人员可直接将其打印在蒲公英蓬松的种子头上，而不会破坏其结构。打印在人体皮肤上时，纤维传感器会贴合皮肤并暴露汗孔，因此佩戴者不会察觉到它们的存在。对打印在人体手指上的纤维进行的测试表明，它们可用作持续健康监测器。

这种低浪费、低排放的增强生物结构的方法可用于从医疗保健和虚拟现实到电子纺织品和环境监测等一系列领域。研究结果发表在《自然电子》杂志上。

尽管人类的皮肤非常敏感，但用电子传感器增强皮肤可以从根本上改变我们与周围世界的互动方式。例如，直接印在皮肤上的传感器可用于持续健康监测、了解皮肤感觉，或可改善游戏或虚拟现实应用中的现实感。

虽然带有嵌入式传感器的可穿戴技术(例如智能手表)已广泛普及，但这些设备可能会让人感到不舒服、突兀，并会抑制皮肤的内在感觉。

这项研究的负责人、剑桥大学工程系的YanYanSheryHuang教授表示：“如果你想要准确地感知生物表面(如皮肤或叶子)上的任何东西，那么设备与表面之间的界面至关重要。我们还希望生物电子器件对用户来说是完全不可察觉的，这样它们就不会以任何方式干扰用户与世界的互动，而且我们希望它们是可持续的、低浪费的。”

制造可穿戴传感器的方法有很多种，但这些方法都有缺点。例如，柔性电子产品通常印在塑料薄膜上，不允许气体或水分通过，所以这就像用塑料薄膜包裹你的皮肤一样。其他研究人员最近开发了透气的柔性电子产品，就像人造皮肤一样，但这些产品仍然会干扰正常的感觉，而且依赖于能源和废物密集型的制造技术。

3D打印是生物电子学的另一种潜在途径，因为它比其他生产方法浪费更少，但会导致设备更厚，可能会干扰正常行为。旋转电子纤维产生的设备对用户来说是不可察觉的，但没有高灵敏度或复杂程度，而且很难转移到相关物体上。

现在，剑桥大学领导的团队开发出了一种制造高性能生物电子产品的新方法，可以通过直接打印在各种生物表面上，定制这些产品以适应各种生物表面，从指尖到蒲公英蓬松的种子头。他们的技术部分灵感来自蜘蛛，蜘蛛用最少的材料创造出适合其环境的复杂而坚固的网状结构。

研究人员用PEDOT:PSS(一种生物相容性导电聚合物)、透明质酸和聚环氧乙烷纺出了生物电子“蜘蛛丝”。这种高性能纤维是在室温下用水基溶液制成的，这使得研究人员能够控制纤维的“可纺性”。然后，研究人员设计了一种轨道纺丝方法，使纤维能够变形为活体表面，甚至可以变形为指纹等微结构。

在人类手指和蒲公英种子头等表面对生物电子纤维进行的测试表明，它们提供了高质量的传感器性能，同时对宿主而言是不可察觉的。

研究人员已经开发出一种方法来制造自适应且环保的传感器，这种传感器可以直接且不易察觉地打印到各种生物表面上，无论是手指还是花瓣。图片来源：剑桥大学

“我们的纺丝方法使生物电子纤维能够遵循不同形状的解剖结构，无论是微观还是宏观，无需任何图像识别，”论文第一作者AndyWang说道。“它为如何制造可持续电子产品和传感器开辟了一个全新的视角。这是一种生产大面积传感器的更简单的方法。”

大多数高分辨率传感器都是在工业洁净室中制造的，制造过程中需要使用有毒化学品，工序繁多，耗能巨大。剑桥开发的传感器可以在任何地方制造，而且耗能仅为普通传感器所需能量的一小部分。

生物电子纤维是可修复的，当它们达到使用寿命时，只需简单地洗掉即可，产生的废物不到一毫克。相比之下，一次典型的洗衣会产生600到1,500毫克的纤维废物。

“利用我们简单的制造技术，我们可以将传感器放置在几乎任何地方，并在需要时随时随地进行维修，而无需大型印刷机或集中制造设施，”黄说。“这些传感器可以根据需要制造，在需要的地方制造，并产生最少的废物和排放。”

研究人员表示，他们的设备可用于从健康监测和虚拟现实到精准农业和环境监测等各种应用。未来，其他功能材料可以融入这种纤维打印方法，以构建集成纤维传感器，为生物系统提供显示、计算和能量转换功能。这项研究正在剑桥大学商业化部门剑桥企业的支持下进行商业化。