仿生多模態調控智能纖維助力可穿戴呼吸監測系統開發

東華大學教授劉宣勇、副研究員邱家軍團隊，首創了一種仿生氣液兩相流氣泡誘導凝膠液界面動態變形方法，構建出具有周期性異形結構的功能纖維，實現了纖維在人體微環境中對濕度變化的快速響應與水伏能量采集，為未來開發可穿戴醫療設備與健康監測系統提供了全新技術路徑。相關研究近日發表于《自然-通訊》。

受蜘蛛噴絲口結構啟發，研究團隊設計了獨特的氣液兩相紡絲系統，通過對氣泡流態的精細調控，使得纖維在氣液界面接觸時被鈣離子交聯快速固化，從而實現結構定型。此方法制備的智能纖維兼具優異的柔性和力學適配性，表面呈現獨特的非對稱潤濕性，并具有高效的水分輸運能力。實驗測試結果表明，這些智能纖維能夠對環境中濕度等微弱變化快速響應，并持續穩定地輸出水伏電能，為可穿戴傳感器提供了自供電能力。

蜘蛛多模態紡絲技術。

進一步地，研究團隊將e-fiber傳感元件與3D打印面罩結合，實現了對不同呼吸狀態的實時監測。在此基礎上，團隊設計并構建了一套集成化的呼吸監測與診療系統，該系統通過無線網絡將監測到的呼吸信號實時傳輸至手機或計算終端，從而具備遠程診斷和智能干預能力。同時，該智能口罩可緊密貼合佩戴者面部，纖維傳感單元固定在多腔室結構中，便于更換。在測試中，該系統成功區分并記錄了正常呼吸、運動后呼吸以及阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征等多種呼吸方式。

呼吸監測面罩及遠程醫療系統。圖片均由研究團隊提供

研究團隊表示，這項工作不僅突破了傳統纖維結構制造的技術瓶頸，更為結構可編程的智能紡織品與仿生醫療材料提供了新的構筑范式。研究團隊目前已將該方法應用于多種紡絲體系，包括海藻酸鈉、羧甲基纖維素與聚乙烯醇等材料，展示出方法的通用性與拓展性，為柔性水伏能源與多場耦合傳感平臺的發展提供了新的理論基礎與技術支撐。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59585-6