你有没有想过，一支普通的铅笔、一个口罩，甚至是一把钳子，可以瞬间变身智能设备？香港科技大学（广州）和英国剑桥大学及伦敦玛丽女王大学的研究团队最近在《Advanced Fiber Materials》上发表了一项突破性技术——通过自适应打印导电微纤维，为日常物品添加电子功能，使其“秒变”智能传感器。这项技术不仅简单高效，还能让物体保持原有的外观和功能！
在现有物体表面附加导电材料层是扩展其功能的有效途径，但传统方法存在明显不足。3D打印虽然能够制造定制化导电线路，但其精度受表面纹理影响较大；喷涂功能墨水虽然操作简便，但会显著改变物体外观，且受物体表面亲疏水情况影响较大。相比之下，导电微纤维因其微米级直径、柔性和透气性展现出独特优势。然而，现有微纤维技术通常需要在沉积后进行额外转移和粘附步骤，限制了其实际应用。为此，本研究开发了一种一步骤纤维打印的策略，通过创新的自适应打印技术实现微纤维在不同形状和材质物体的表面打印，且无需建模设计与转移贴合。
研究团队首先制备了PEDOT:PSS和银纳米颗粒（AgNP）两种纤维溶液，关键的微纤维打印过程采用自主开发的自适应纤维打印系统完成，该系统通过机械剪切和拉伸作用实现纤维的原位成形和直接沉积，整个过程仅需1-2秒，且纤维在半湿状态下即与目标表面形成紧密贴合。
对所得微纤维的详细表征显示，PEDOT:PSS和AgNP纤维分别具有2×10³ S/m和1×10⁵ S/m的高导电性，其微米级直径（1.5-3μm）和稀疏排布方式（间距约100μm）使其可见光透射率达到90%。特别值得注意的是，这种开放式网络结构对GHz频段的电磁波表现出优异的透射性能，在1-40GHz范围内几乎不引起信号衰减，这一特性使其特别适合应用于需要无线通信的智能设备，比如与智能手表和NFC贴片结合时候，导电纤维不会影响其界面特性。
图1. 自适应纤维打印适用于多种不同形状和材料的物品。
在实际应用方面，研究团队展示了该技术的广泛适用性。通过将PEDOT:PSS微纤维沉积在口罩呼气阀上，成功实现了呼吸频率的实时监测；在智能手表表面直接打印的微纤维阵列既能检测环境湿度变化，又不影响触屏操作和无线通信功能。更具创新性的是，利用"乐高式"组装策略，将预先打印好的微纤维模块快速构建成三维结构，实现了对气流空间分布的多点监测。
图2. 纤维传感器结合口罩和智能手表，使其具备呼吸传感功能。
在生物医学领域，该技术展现出独特价值。研究证明，将PEDOT:PSS微纤维临时打印在机器人手指表面后，其与人体皮肤接触阻抗显著降低，能够稳定获取心电图信号；类似的，包裹在工具手柄上的微纤维阵列可以准确记录使用时的肌电信号变化。这些应用都体现了微纤维功能层的"隐形"特性——在提供检测功能的同时，几乎不影响物体的正常使用。
图3. 纤维可以自适应地结合日常物品，使其具备电生理传感能力。
在能源领域，AgNP微纤维阵列被证明可作为透明加热元件，在施加10V电压时局部温度可达110℃，而其开放结构确保了对NFC等无线通信的零干扰。PEDOT:PSS微纤维则通过包裹杯垫实现了温差发电功能，当放置80℃热水杯时可产生持续电能输出。最引人注目的是，研究团队利用上下两层微纤维"夹心"结构成功整合了多孔石墨烯气凝胶，在完全保持其孔隙率的前提下实现了对甲醛气体的高灵敏度检测，响应值达到传统电极结构的3倍以上。
图4. 无衬底纤维可作为多孔石墨烯的电极材料，实现高效气体传感。
本研究开发的自适应微纤维打印技术突破了现有功能化方法的局限，通过一步式沉积实现了传感界面与各类基底的有机结合。微纤维的超细直径和可控排布模式使其在为现有物体添加功能的同时，不影响物体本身的外观和功能。这种"隐形增强"策略为智能设备、健康监测和环境传感等领域提供了新的技术路径。未来，通过扩展材料体系（如引入新型热电材料）和优化沉积工艺，该技术有望在"纤维物联网"（Fiber-of-Things）的构建中发挥关键作用。特别值得关注的是，该方法具有能耗低（<50W）、材料利用率高（0.01-0.4mg/器件）的特点，符合可持续发展理念，为电子器件的绿色制造提供了新思路。
原文链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-025-00561-6
作者介绍：
王文宇，香港科技大学（广州）智能制造学域及生物科学与生医工程学域助理教授、博士生导师，致力于开发融合生物与电子的柔性器件。2016年获得清华大学机械工程与自动化学士学位，随后前往英国剑桥大学工程系攻读博士学位，2021年取得博士学位后在剑桥大学工程系任博士后研究员，主攻生物电子传感器的先进制造技术。王文宇教授的研究利用3D打印等先进制造技术，结合柔性传感的材料体系，开发了从可穿戴器件，到电子皮肤和直接接触生物细胞的一系列轻薄舒适、生物相容的传感界面，为智能健康、精准医疗、人机交互和增强感知提供了柔性舒适的技术手段。王文宇博士在国际顶尖期刊《自然-电子》、《科学-进展》、《先进科学》等发表了多篇论文。王文宇教授于2021年获得英国高等教育学院协理会士（Associate Fellow）。
Prof. Yan Yan Shery Huang, 英国剑桥大学工程系教授（终身教职）、生物界面（Biointerface）课题组负责人、博士生导师、剑桥大学哈莫顿学院院士、英国材料学会院士（FIMMM）。BioactiveMaterials《生物活性材料》期刊（IF = 16）编委、Bio-design and Manufacturing《生物设计与制造》期刊（IF = 4.09）副主编、美国化学学会ACS Applied Materials & Interfaces《应用材料与接口》期刊（IF = 8.7）副主编、Microsystems & Nanoengineering《微系统与纳米工程》(IF=7.1) 副主编。Shery Huang教授的研究涵盖了3D打印和生物打印、生物材料、生物电子、干细胞和组织工程等多领域的交叉学科前沿和应用科学，致力于将前沿科学转化为大众个性化治疗方案，并为疾病监测和药物测试提供更优的解决方案。Shery Huang教授因在生物制造和可持续电子织物领域的重大突破而被授予“国际生物医学工程协会BioMedEng24创新奖”，这一国际奖项旨在表彰她在推动可持续生物医学技术方面的创造性、开创性和跨学科的科研。
