電子紡織品（e-textiles）憑借其獨特的柔性、透氣性和舒適性正逐步成為可穿戴電子產(chǎn)品的關(guān)鍵載體。然而，一個核心難題始終困擾著該電子紡織品的設(shè)計：日常穿戴和人體運動產(chǎn)生的形變，會不可避免地引起導電纖維電阻變化，從而引起信號失真、能量傳輸不穩(wěn)定，制約了電子紡織品的可靠性和功能性。如何避免非目標應(yīng)變對電子紡織品造成的信號干擾，成為紡織品設(shè)計的關(guān)鍵問題。
近日，新加坡國立大學林藝良教授聯(lián)合新南威爾士大學唐詩楊教授，東華大學陳仕艷教授研究團隊提出了一種應(yīng)變可編程的液態(tài)金屬（LM）纖維平臺。
2026年4月7日，相關(guān)工作以Strain-Programmable Liquid Metal Fibers for Anti-Interference Electronic Textiles為題發(fā)表于《Nature Communications》。文章第一作者為東華大學博士生/新加坡國立大學訪問交流學生屈向陽。該工作通過巧妙的材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)工程，成功實現(xiàn)了纖維應(yīng)變-電阻響應(yīng)的可控設(shè)計，為構(gòu)建抗干擾、多功能的新一代電子紡織品提供了全新范式（圖1）。
圖1 應(yīng)變可編程LM復(fù)合纖維的設(shè)計策略、結(jié)構(gòu)特征與應(yīng)用
LM纖維的應(yīng)變可編程行為
傳統(tǒng)導電纖維的電阻通常隨應(yīng)變增加而單調(diào)上升（正向應(yīng)變-電阻變化），這使其在動態(tài)環(huán)境中極易受到干擾。針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊提出了一種全新的應(yīng)變可編程液態(tài)金屬纖維（圖2）。通過在彈性體中嵌入LM顆粒，并利用同軸濕法紡絲工藝，設(shè)計了具有皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維（圖2a）。有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)這種LM復(fù)合纖維可以通過控制預(yù)應(yīng)變程度，對纖維在拉伸時的電阻變化行為進行可控的編程設(shè)計（圖2b、c）：
-
負向應(yīng)變-電阻變化（低預(yù)應(yīng)變編程）：電阻隨應(yīng)變單調(diào)降低（圖2d）；
-
雜化應(yīng)變-電阻變化（中預(yù)應(yīng)變編程）：電阻隨應(yīng)變呈現(xiàn)先微弱的減小后增加的不敏感變化（圖2e）；
-
正向應(yīng)變-電阻變化（高預(yù)應(yīng)變編程）：電阻隨應(yīng)變單調(diào)增加，與傳統(tǒng)導電纖維類似（圖2f）。
這種設(shè)計巧妙地將應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)控的設(shè)計參數(shù)。基于同一纖維材料平臺，可實現(xiàn)傳感、供能、通信等多種功能的穩(wěn)定設(shè)計，為下一代抗干擾、高性能可穿戴系統(tǒng)提供了全新思路。
圖2 LM纖維的結(jié)構(gòu)表征與應(yīng)變可編程機電行為
應(yīng)變驅(qū)動的LM顆粒形變與重構(gòu)
這種有趣的應(yīng)變可編程行為源于纖維內(nèi)部LM顆粒網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)演化。研究團隊通過系統(tǒng)電阻率分析、掃描電鏡（SEM）和原位X射線顯微CT（micro CT）三維重建，還原了顆粒隨應(yīng)變增加的動態(tài)變化（圖3）。0%應(yīng)變（未拉伸）下：LM顆粒均勻分散在PU基體中，彼此孤立，電流沿曲折的顆粒間路徑傳導；50%應(yīng)變下：顆粒被拉長、相互靠近，開始形成更多電接觸點，導電通路增加；100%應(yīng)變下：顆粒開始發(fā)生破裂融合，接觸電阻降低，導電路徑更加連續(xù)；超過150%應(yīng)變后：顆粒大量融合，形成連續(xù)的塊狀導電網(wǎng)絡(luò)，電阻率持續(xù)下降（圖3c、d）。
相應(yīng)地，纖維電阻的可編程變化可歸因于纖維幾何和電阻率兩種變化機制的博弈（圖3e）：
-
在低應(yīng)變階段，電阻率降低主導電阻變化趨勢，表現(xiàn)為負應(yīng)變-電阻（拉伸時電阻下降）；
-
在高應(yīng)變階段，幾何形變引起的電阻增加主導電阻變化趨勢，表現(xiàn)為正應(yīng)變-電阻（拉伸時電阻上升）；
-
在中間階段，兩種效應(yīng)相互抵消，從而形成了雜化的應(yīng)變不敏感狀態(tài)。
圖3 應(yīng)變誘導的LM顆粒重構(gòu)及其對LM纖維機電行為的影響
LM顆粒應(yīng)變重構(gòu)的理論模型
LM纖維在拉伸時內(nèi)部顆粒會發(fā)生接觸與融合，從而影響導電性能。基于此，研究團隊進一步將復(fù)合材料的LM顆粒的接觸和融合行為簡化為纖維導電通路的并聯(lián)與串聯(lián)效應(yīng)建立了理論框架，并通過有限元仿真加以驗證（圖4）：
-
并聯(lián)效應(yīng)：LM顆粒接觸形成新的導電路徑，相當于在電路中增加“并聯(lián)支路”，整體電阻下降（圖4a、b）；
-
串聯(lián)效應(yīng)：LM顆粒融合減少接觸點，相當于減少“串聯(lián)電阻”，導電路徑更加通暢（圖4a、b）。
其中，LM顆粒的融合的取決于所受的壓力與自身的Laplace壓力的大小。當LM受到的壓力大于Laplace壓力（破裂閾值）時，顆粒擠破表面氧化層發(fā)生破裂融合（圖4f）。而由于LM顆粒大小不一，較小的顆粒需要更大應(yīng)力才能破裂。因此，隨著應(yīng)變增加，顆粒從大到小依次融合，導電網(wǎng)絡(luò)逐步優(yōu)化從而導致電阻率的持續(xù)下降。研究團隊據(jù)此建立了并聯(lián)-串聯(lián)混合模型，將這兩種機制與纖維的幾何形變統(tǒng)一納入方程，成功預(yù)測了纖維在不同應(yīng)變下的電阻變化，驗證了模型的普適性。
圖4 LM纖維中應(yīng)變誘導電阻率演變的模型構(gòu)筑與實驗驗證
可編程LM纖維用于電子紡織品的抗干擾設(shè)計
基于這可編程的纖維設(shè)計平臺，研究團隊分別從雙向應(yīng)變交互系統(tǒng)、應(yīng)變不敏感的紡織品通訊系統(tǒng)以及抗干擾溫控紡織品三種極具前景的應(yīng)用場景，充分驗證了其抗應(yīng)變干擾性能。研究團隊分別將兩根LM纖維編程為正、負響應(yīng)狀態(tài)，用于構(gòu)建雙向應(yīng)變響應(yīng)的傳感系統(tǒng)（圖5）。其中，手指彎曲引起的電阻增加和減小被轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>為二進制信息（增加為“1”，減小為“0”），為直覺化的人機交互提供了新途徑。團隊用這一系統(tǒng)成功編碼傳輸了“NUS”三個字母，避免了非目標應(yīng)變信號的干擾，識別精確度遠超傳統(tǒng)單向傳感器
圖5 可編程LM纖維的雙模應(yīng)變傳感系統(tǒng)用于人機交互
對于需要穩(wěn)定工作的功能模塊，團隊將纖維編程至應(yīng)變不敏感狀態(tài)，并制成近場通信（NFC）織物天線（圖6）。即使在60%的拉伸形變下，織物天線的電阻波動仍小于±0.4%。實驗證明，無論是靜態(tài)拉伸還是動態(tài)形變，該天線均能穩(wěn)定地為LED燈供電并成功識別NFC標簽，其工作電壓和頻率（~13.56 MHz）幾乎不受形變影響。此外，該天線在洗滌、高濕等環(huán)境下也展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，彰顯了其在實際應(yīng)用中的巨大潛力。
圖6 基于應(yīng)變可編程LM纖維的可拉伸NFC織物天線
總結(jié)與展望
本工作提出了一種應(yīng)變可編程的LM纖維設(shè)計策略，通過將LM顆粒在彈性體中的動態(tài)重構(gòu)行為與纖維的幾何變形相耦合，實現(xiàn)了從“負向響應(yīng)”到“雜化敏感響應(yīng)”再到“正向響應(yīng)”的機電行為編程。這一創(chuàng)新不僅從材料層面解決了長期困擾電子紡織品的應(yīng)變干擾問題，更展示了其在雙模態(tài)人機交互、穩(wěn)定無線通信、抗干擾熱管理等多個領(lǐng)域的多功能集成潛力。該研究為開發(fā)下一代自適應(yīng)、高可靠性的智能織物提供了堅實的材料基礎(chǔ)與設(shè)計范式，有望推動電子紡織品在健康醫(yī)療、運動監(jiān)測、智能家居等領(lǐng)域的實際應(yīng)用。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71342-x
