摘要：随着精准健康管理需求增长，特别是败血症等重症患者需对体表伤口进行英寸级监测，现有可穿戴技术面临核心矛盾：云计算处理数据导致带宽拥堵与延迟，而传统印刷电路板（PCB）虽能集成传感与计算功能，却以牺牲穿戴舒适性为代价。如何构建兼具高密度节点与舒适性的体表健康网络，
随着精准健康管理需求增长，特别是败血症等重症患者需对体表伤口进行英寸级监测，现有可穿戴技术面临核心矛盾：云计算处理数据导致带宽拥堵与延迟，而传统印刷电路板（PCB）虽能集成传感与计算功能，却以牺牲穿戴舒适性为代价。如何构建兼具高密度节点与舒适性的体表健康网络，成为行业关键挑战。
重庆大学范兴教授、中国科学院重庆绿色智能技术研究院Xue Jie、XiangSiwei团队合作开发出图案叠印智能纤维。该纤维通过多层交错印刷75微米线宽图案，形成每单元仅0.3毫米的类芯片多阈值逻辑开关电路阵列，每米可集成超3000个电路单元。这种“电子纤维”可与传感器混编成纺织品网络，使每个节点兼具生理传感与原位逻辑计算能力，大幅节省云计算资源。相关论文以“Smart fiber with overprinted patterns to function as chip-like multi-threshold logic switch circuit”为题，发表在
Nature Communications核心设计原理
如图1所示，智能纤维由微小电路单元构成一维阵列，每个单元包含电阻器与晶体管。纤维截面（图1b）通过终端K（连接电阻器调节晶体管栅压）、D（漏极）、S（源极）、G（栅极）实现多通道逻辑开关功能。当编织入纺织品（图1d），这些单元通过外围电路构建"OR"、"AND"等逻辑关系（图1e），形成外观如普通织物、功能等同PCB芯片的多阈值计算电路（图1f）。
图1 | 作为一维类芯片多阈值逻辑开关电路阵列的智能纤维结构设计 a 含多个逻辑开关单元的智能纤维（插图：长纤维实物图） b 智能纤维截面的电路单元示意图（终端K：连接单元内电阻器，用于晶体管栅控电压输入；终端D：连接晶体管漏极；终端S：连接晶体管源极；终端G：连接晶体管栅极） c 智能纤维功能等效于传统PCB多阈值逻辑开关芯片（Vcc：伏特电流电容器；GND：接地端） d 混编多电路单元智能纤维的纺织品级多阈值逻辑开关电路示意图 e 纺织品电路工作原理及外围组件连接（Ns, Ns'为电路节点） f 纺织品级多阈值逻辑开关电路实物图
革命性制造工艺
团队突破传统刷涂技术局限，开发曲面软接触叠印法（图2b）。利用墨滴曲面与纤维的自适应接触（图2c-e），通过三种涂覆方式：单侧涂覆（图2f-h, 180°旋转）、双侧涂覆（图2i-k, 120°旋转）及全涂覆，在卷对卷生产中精准堆叠五层功能图案（图2a）。该工艺径向精度达75微米，使电路密度超传统纺织品四倍，实现低成本连续化生产。
图2 | 通过叠印法可控制备含多电路单元的智能纤维 a 长纤维多层功能图案叠印流程 b 刷涂与软接触涂覆对比（Lr：径向加工精度；La：轴向加工精度） c-e 纤维与墨滴曲面软接触实现高精度原理（h：墨滴移动高度；Fs：表面张力） f-g 单侧涂覆接触状态及其与距离、墨滴高度、纤维旋转角（α）的关系 h 单侧涂覆实物图 i-j 双侧涂覆接触状态及其参数关系（虚线表示背面涂层） k 双侧涂覆实物图
单元性能验证
单个电路单元（图3a）由纤维晶体管与电阻器构成。晶体管基于PEDOT:PSS氧化还原机制（图3b）：栅极正电压使Na⁺嵌入导致导电性降低2500倍（图3c-d），弯曲与湿度下性能稳定（图3e-f）。电阻器通过AC/PVDF涂层调控阻值（图3g）。实验证实，单个单元可构建两类阈值比较器：上限比较器（图3h）判断信号超阈值时输出高电流（编码"1"），下限比较器（图3i）则输出低电流（编码"0"）。
图3 | 典型电路单元性能 a 智能纤维单元结构（含电阻器与晶体管） b 晶体管工作原理（基于PEDOT:PSS氧化还原反应） c-d 晶体管电学特性（耗尽型特征，夹断电压-0.9V） e 弯曲状态开关性能稳定性 f 湿度环境下的封装稳定性 g 纤维电阻器结构及阻值响应 h-i 两类逻辑开关电路（上限/下限阈值比较器）
纺织品级应用
将含双电路单元的纤维与湿度传感器混编（图4a），成功构建双阈值逻辑电路（图4b-g）。当环境湿度>70%时输出B启动，
图4 | 混编湿度传感器与双电路单元纤维的纺织品级双阈值逻辑开关电路性能 a 电路示意图 b 纤维湿度传感器结构（插图：PVA/SWCNT层SEM图） c 传感器工作原理 d 干/湿态PVA/SWCNT层FTIR光谱 e 不同湿度（RH%）下的传感性能 f 重复性测试 g 不同弯曲次数下的电阻变化 h-i 不同湿度下电路特性（输出A/B响应阈值）
图5 | 含多电路单元的纺织品级多阈值逻辑开关电路功能演示 a 室内环境控制应用示意图 b 联动WiFi芯片控制空调/加湿器的电路连接 c-d 人体穿戴时湿度超70%启动空调/低于40%启动加湿器 e 户外体表湿度控制应用示意图 f 联动电解除湿纺织品（D-Textile）的电路连接 g D-Textile结构原理（面积8.4cm²） h MnO₂/碳纤维阳极结构 i 纤维阳极枝晶MnO₂的SEM图 j 不同MnO₂负载量的阳极性能 k 3A/cm²电流密度下的产氧量 l 汗湿纺织品在电路激活前后的状态对比
未来展望
该纺织品网络节点仅占0.16mm²，覆盖1.5m²人体皮肤可部署940万个节点。原位计算将数据分析延迟压缩至1秒内，节省300Mbps带宽（蓝牙传输需300秒）。未来通过减小线宽、增加层数及编织密度，有望实现更高量级带宽节省，为纤维级人工智能健康芯片及体表大数据计算奠定基础。
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来源：澳辉侃科技
