NUS吴昌盛课题组，最新Science子刊：磁-力-电化学纤维让电子纺织品既耐变形又智能

电子纺织品被视为将技术融入日常穿着的变革性平台，但其发展长期受制于一个根本性挑战：功能实现需要机械变形，而性能稳定又要求结构稳定，二者存在冲突。这一问题在圆柱形纤维电极中尤为突出：固有非均匀电场分布会导致枝晶形成和活性材料利用率偏低，机械变形还会进一步加剧这些问题。直接将传感器、能量采集器等机电纤维与储能、发光等电化学纤维并入同一纺织基质，往往造成寿命缩短和性能受损，因为变形会加剧电荷转移和离子沉积的不均匀性。因此，开发坚固、多功能、能同时兼顾机械响应与结构稳定性的纤维，成为凝聚性电子纺织品发展的关键需求。

针对这一挑战，新加坡国立大学吴昌盛课题组提出一种磁-力-电化学架构，通过磁电化学促进均匀电化学反应。在未变形状态下、1.0 A/g 电流密度下，该磁-力-电化学纤维使电池寿命延长（374±79）%，容量提升（61±20）%；在变形状态下，磁场仍能有效调控离子传输并稳定电极结构。这一变形适应型平台还通过电磁感应和磁弹性传感，同时实现人体运动能量采集与生理监测，从而把传统纺织品转化为变形适应型智能健康监测系统。纤维由硬磁性软弹性体鞘层包覆电化学核心构成，鞘层产生变形响应磁场，对电化学核心内可移动离子施加应变相关洛伦兹力，实现功能协同耦合。相关论文以“Magneto-mechano-electrochemical fiber for deformation-resilient and smart electronic textiles”为题，发表在Science Advances上。

图1 用于变形适应型和智能电子纺织品的 m-纤维设计与功能。（A）传统纺织集成（左）与基于 m-纤维方法（右）的示意比较。传统直接并入电化学和机电纤维在变形下导致性能退化，而 m-纤维的核-鞘结构通过集成功能实现增强耐久性。（B）磁场调控促进均匀电沉积的机制，导致未变形和变形状态下寿命提高。（1）未变形且 |B|=0 mT，（2）未变形且纤维内部 |B|≈50 mT，（3）变形且 |B|=0 mT，（4）变形且纤维内部 |B|≈50 mT。数据来自 4 cm 长纤维器件在 1.0 A/g 下测试。误差棒表示四个独立样品的标准差。（C）m-纤维在多功能纺织身体区域网络中的实现，使能量收集、存储和生理监测无缝集成到可适应身体运动的可穿戴形式中。

研究首先从圆柱电极上的磁电化学机制入手。传统圆柱电极因非均匀离子传输和沉积，负电极易形成稀疏多孔枝晶，增加短路概率，正电极活性材料利用受损（图2a）。研究利用洛伦兹力 FL = J × B 在电解质中产生磁流体动力学对流，微观上扰动枝晶突出物周围的离子积累，宏观上重新分布圆柱电极表面附近的离子浓度和界面通量；有限元模拟显示，50 mT 磁场在圆柱锌电极倾斜区附近产生高达约 600 N/m³ 的局部洛伦兹力密度，最大磁流体动力学诱导佩克莱特数约 0.4，处于扩散主导但受对流扰动的传输区间。平行锌线电极恒流充放电测试表明，施加 50 mT 磁场后，不再出现枝晶生长导致的约 0 V 短路特征信号，并形成更均匀致密的锌沉积，最大循环数显著提高（图2b）。在此基础上，研究设计出 m-纤维的核-鞘结构：锌线为负电极、MnO₂ 涂覆不锈钢线为正电极、ZnO-KOH-聚乙烯醇水凝胶为电解质，分散钕铁硼微粒的软弹性体鞘层提供纤维内部约 50 mT 磁场（图2e）。该结构使 m-纤维在正文所列 0.5—10.0 A/g 各电流密度下容量均高于非磁性纤维（图2f），1000 次循环后容量保持率为 82%，而非磁性纤维为 61%（图2g）；电子顺磁共振和高分辨透射电镜进一步显示，m-纤维中 Mn³⁺ 含量较非磁性纤维降低，并保留层状锌插入结构（图2h）。在机械变形下，磁弹性鞘层的局部磁通密度随弯曲角增大或曲率半径减小而增强，仍能维持磁场调控离子传输，使 m-纤维在弯曲状态下的寿命相对非磁性纤维显著延长（图2j、图2k）。

图2 m-纤维的磁电化学表征与变形适应型磁电化学。（A）不均匀电场驱动枝晶生长和磁场诱导微对流促进均匀电沉积的示意。（B）平行 Zn||Zn 线电极（电极间距 400 μm；长度 4 cm；在 6 M KOH/0.2 M ZnO 电解液中）的恒流充放电曲线，以及 200 次循环后的扫描电子显微镜图像。扫描电子显微镜图像也在图S4A中显示，以与额外循环条件比较。比例尺 100 μm。约 0 V 的恒定信号表明枝晶生长导致内部短路。h，小时。（C）在 5 mV/s 扫描速率下，有和无磁场时 Zn||MnO₂ 线电极的循环伏安曲线。（D）Zn||MnO₂ 线电极的循环性能，显示在 1.0 A/g（归一化到 MnO₂ 质量）下磁场带来 17% 容量增强。（E）m-纤维的横截面示意。（F）代表性非磁性纤维和 m-纤维在 0.2 至 10 A/g 电流密度下的倍率性能。（G）在 1.0 A/g 下比较非磁性纤维和 m-纤维容量保持率的循环性能；实线和阴影区域表示平均值±标准差（n=4）。（H）电子顺磁共振谱显示 1000 次循环后 m-纤维中 Mn³⁺ 含量较非磁性纤维降低。插图：高分辨透射电子显微镜图像显示 1000 次循环后 m-纤维中保留层状锌插入结构，而非磁性纤维中未保留。比例尺 2 mm。（I）m-纤维在机械变形下的示意。（J）代表性 m-纤维中磁通密度随弯曲角（实心点，R=2 mm）和曲率半径（空心点，θ=90°）的变化。（K）非磁性纤维和 m-纤维在 1.0 A/g 弯曲下达到 80% 容量保持的寿命（电极间距 400 μm；长度 4 cm；误差棒表示标准差（n=4））。左：θ=90°；右：R=2 mm。

在器件制备与多功能性能方面，研究采用三维打印制备装置，以生物相容性和低毒性为材料选择依据；m-纤维在弯曲、扭转、冲击和洗涤循环下保持稳定电压输出（图3a、图3c）。m-纤维的磁性还支持人体运动能量采集：由 m-纤维和导电线圈构成的纺织品电磁发电机可将手臂摆动转化为电能，并经桥式整流器为电容器和 m-纤维自身充电（图3d）。磁电化学使 m-纤维在 1.0 A/g 下容量相对未变形非磁性纤维提高（61±20）%，能量采集还可额外带来约 13% 的容量提升（图3e）。研究进一步构建了基于三轴霍尔传感器的智能电池管理系统，以 30° 弯曲角为阈值自动切换运行模式；在 180° 过度变形时关闭非必要功能并将负载电流从约 20 mA 降至约 1 mA，恢复安全范围后恢复正常运行（图3f、图3g）。未变形条件下，磁电化学稳定使平均寿命相对非磁性纤维提高（374±79）%；在变形纤维中，基于本体感受的电源管理在 30° 阈值下比 180° 连续弯曲延长器件寿命约 75%（图3h）。

图3 m-纤维的制备与多功能性能。（A）m-纤维制备流程示意：通过三维打印模具将 MnO₂ 涂覆的导电丝与锌线组装，进行水凝胶电解质涂覆和浸泡，以及用嵌入磁性微粒的弹性体基质封装，随后磁化。右：m-纤维照片。比例尺 5 mm。（B）在表S3中与最先进纤维器件相比的能量存储性能。（C）在机械扰动下 m-纤维的稳定电压输出。比例尺 2 cm。（D）集成到纺织品中的 m-纤维自充电能力电压曲线。（E）磁电化学（1.0 A/g 下为 61±20%）和能量收集（相当于额外 13%）实现的容量改进。（F）智能电池管理系统示意，利用霍尔传感器检测磁场变化，以预定义弯曲角阈值自动切换模式。（G）弯曲变形超过阈值角度及恢复后，三轴磁场分量（Bx、By、Bz）和负载电流的实时监测。（H）未变形和变形状态下磁电化学与智能电池管理系统实现的寿命增强。在 1.0 A/g 下；误差棒（E）和（H）表示四个样品的标准差。统计学显著性（E）和（H）采用单因素方差分析评估；详细结果见表S6。

在智能纺织身体区域网络应用中，m-纤维的磁弹性可检测变形诱导磁场变化，电化学稳定性保证机械应力下稳定供电；研究开发了基于柔性印刷电路板和霍尔传感器的无线监测系统，连续测量磁场矢量（图4a、图4b）。腕部佩戴 m-纤维时，血管搏动引起细微变形并产生特征磁场变化，可准确记录收缩峰和反射峰，与金标准光电容积脉搏波测量的皮尔逊相关系数为 0.933（图4c）。为解码复杂生理信号，研究采用三层一维卷积神经网络，将三轴磁场原始信号和低通滤波信号组成六通道输入，既保留低频信息又捕获高频细节（图4d）；系统可区分快速呼吸、正常呼吸、深呼吸和屏息四种呼吸模式（图4e），五名参与者在受试者特定 10 折交叉验证、20 轮训练后平均分类准确率达 99.5%（图4f）。手指佩戴 m-纤维的手势识别系统利用每种手部动作产生的独特磁场特征（图4g），对七种离散手势在五名参与者中取得 97.0% 的平均准确率（图4h）。这些结果展示了该自供能传感平台在医疗监测、辅助技术和人机接口等方面的潜力。

图4 利用 m-纤维和人工智能进行生理监测与手势识别。（A）基于 m-纤维的智能纺织身体区域网络示意，用于个性化医疗。（B）无线皮肤界面磁传感器的示意和照片。比例尺 2 cm。（C）m-纤维检测的动脉脉搏信号与光电容积脉搏波传感器比较。（D）用于处理和分类 m-纤维磁场信号的一维卷积神经网络示意。（E）四种呼吸模式的特征性磁场信号，展示模式识别潜力。（F）使用 m-纤维信号的卷积神经网络分析对五名参与者进行呼吸模式识别的准确率。误差棒表示受试者特定 10 折交叉验证中准确率的变化。（G）使用 m-纤维信号进行手势识别，展示七种手势的特征性磁场信号。（H）使用 m-纤维信号的卷积神经网络分析对五名参与者进行手势识别的准确率。误差棒表示受试者特定 10 折交叉验证中准确率的变化。

从讨论部分看，m-纤维策略并非替代已有方法，而是与其互补；磁策略与电策略协同，可能为柔性电化学器件带来进一步研究机会和性能提升。m-纤维有望扩展到锂、钠、镁、钙、铝电池、燃料电池、太阳能电池和超级电容器等多种能量转换与存储器件化学体系，以及纤维以外的几何形态。增加磁性微粒含量或鞘层厚度可增强磁场，但会牺牲柔性、尺寸和重量，并影响性能与功能；未来可探索不同形状或组成的先进磁性微/纳米颗粒、聚合物基质、柔性超材料等拓扑设计以及热拉制等可扩展技术，使 m-纤维更轻更柔。除鞘层外，固体电解质或电极也可作为磁性颗粒基质，因其更接近离子传输路径而可能增强磁电化学效果；与电镀、内部短路和制造缺陷相关的磁场变化还可能用于电池退化的无损诊断。m-纤维的多功能性带来设计机会与复杂性：它可同时作为电源和磁控执行器用于无缆软机器人，也可将磁电化学引入由 m-纤维供电的电化学传感器。该工作不仅为变形适应型智能电子纺织品提供基础见解，也推动自供能生物电子系统和智能可穿戴设备的安全性与可靠性发展。