可穿戴电子纤维被视为构建分布式人体感知网络的理想基石，是具身智能实现感知-行动一体化的物理载体。然而，如何在保持柔性和机械适应性的同时，实现对微弱、局部形变的高灵敏度响应，并兼具自供能特性与分布式感知能力，一直是该领域的核心挑战。传统软材料中机械域与电学域的弱耦合，限制了其对微小振幅应变的响应，使其在分布式生物力学感知和长期可穿戴监测中的应用受限。

针对上述难题，陕西科技大学研究团队设计了一种机械自适应拉胀电子生物基纤维，并将其作为具身智能传感单元。经优化的纤维展现出超高灵敏度、强劲的电输出和卓越的功率密度，并具有优异的循环稳定性。集成于纤维传感阵列后，该材料能够解码与下肢功能相关的微应变模式，为自供能、自适应且耐久的生物力学监测提供了一条可扩展的路径。

该纤维的制造过程借鉴了牵牛花藤蔓的攀爬机制，通过将纱线以特定螺旋角缠绕在芯丝上，实现了类似植物的高效表面接触与均匀黏附。为实现连续化生产，团队开发了定制化弹性缠绕系统：以高弹性CA/WPU长丝为芯，高拉伸性AF/PDMS纤维为包裹层，通过控制芯材进给速率与线轴角速度的动力学关系，精确调控螺旋节距与缠绕角度。与传统结构受拉伸时横向收缩不同，该拉胀构型在张力下横向扩张，这种负泊松比行为增加了拉伸时纤维间的接触距离，确保了摩擦电层间稳定且广泛的接触。

基于此结构创新，团队将拉胀纱线系统应用于静脉功能障碍的早期检测：通过设计由8根渐变机械灵敏度拉胀纱线组成的横向阵列，并集成于压缩纺织品中，纱线模量从远端到近端逐渐增加，与压缩袜的刚度曲线相匹配，实现了对静脉微形变的实时探测。

拉胀纤维的设计策略与工作原理

材料性能方面，增加芯材中WPU含量可提高断裂应变但降低了拉伸强度，而更高的胶原蛋白含量则降低杨氏模量但增加功容量。鞘层纤维需具备高拉伸强度以有效约束芯材，增加鞘层纤维股数可显著增强拉伸性能，拉胀纤维的典型拉伸曲线呈现两阶段断裂特征，拉伸强度达207.6 MPa，断裂伸长率为340%。径向直径测量显示，应变低于20%时为典型泊松收缩，超过此阈值后则发生结构重构，产生显著径向扩张与拉胀效应。螺旋节距同样关键，纤维在3~6mm范围内展现拉胀行为，但最终器件采用约5.0mm节距以平衡形变与摩擦电荷产生。纤维还展现出高压敏性（0.64 kPa/mm）和优异循环拉伸稳定性。

拉胀纤维的材料特性与结构优化

拉胀纤维对微应变的响应机制为：其拓扑结构高效传递局部应变，将微小生物力学形变转化为可测量的电输出。电荷转移过程依赖于应变程度，电输出随纤维长度增加而比例上升。在全形变范围内，高模量比设计在大应变区（10%~50%）保持11.75的高应变系数，在低应变区（0~10%）则为11.26，约为非拉胀纤维的3.4倍。该拉胀纤维还展现优异的弯曲性能以及环境稳定性等。

在下肢静脉状态监测应用中，拉胀纤维以高微应变灵敏度捕捉与静脉状态相关的生物力学特征。将其贴附于小腿进行2.5h连续监测，输出电压随重力诱导的体积扩张逐渐增加，清晰反映静态下组织机械应变变化。纤维表现出稳定压力传感，在5kPa循环加载-卸载下信号紧密跟随输入波形。仿生流体压力测试显示，输出电压随流体速度单调增加且高度线性。在10~40°C和30%~80%湿度范围内电压变化低于5%，经多次洗涤循环后性能退化小于6%，1000次磨损循环后保持96%初始性能，在人工汗液中连续浸泡24h后仍保留约89%的信号输出。

拉胀纤维在静脉功能监测中的应用性能

系统集成方面，拉胀纤维被针织入商用压缩袜中，其横向扩张特性确保均匀压力分布与高动态贴合性。通过分析记录了坐（I）、站（II）、弯腰（III）和运动（IV）4种状态下的分布式应变信号发现，该系统通过具身智能成功解码静脉运动，识别准确率超过97%，为静脉功能评估和早期风险预警提供了有力基础。

静脉功能评估的系统集成与智能数据分析

该项工作为先进的可穿戴医疗健康监测提供了一种可扩展、自供能、自适应且耐久的生物力学监测系统方案，相关论文以“Bioinspired heliconical auxetic biofibers for intelligent biomechanical surveillance”为题发表在Science Advances上。

（来源：高分子科学前沿）