智能纤维图案叠印技术实现芯片级多阈值逻辑开关电路的可编织集成

针对精准健康管理中体表网络节点计算能力不足的问题，研究人员开发了具有图案叠印多层结构的智能纤维，通过软接触曲面印刷技术实现线宽75μm的电路单元批量制备，构建了密度>3000单元/米的1D阵列式多阈值逻辑开关电路，为纺织型体表网络提供了原位计算终端，显著节省云端计算资源。该成果发表于《Nature Communications》。

　　

在精准健康管理需求日益增长的背景下，体表网络的每个节点不仅需要实现多生理参数传感，更需具备原位逻辑计算能力以应对海量数据分析。然而传统PCB电路牺牲穿戴舒适性，现有纤维电子器件又难以实现高密度电路集成。重庆绿色智能技术研究院等单位的研究人员创新性地提出将芯片级多阈值逻辑开关电路"编织"进纤维的新思路，相关成果发表在《Nature Communications》。

研究团队开发了基于软接触曲面印刷的图案叠印技术，通过精确控制墨滴高度（分辨率0.001mm）和纤维旋转角度（1°精度），在单根纤维上实现了五层功能图案的交替堆叠。关键技术包括：1）采用三种涂覆方法（单边、双边和全包覆）构建电阻-晶体管单元；2）开发PEDOT:PSS有机晶体管（开关比>2500）和AC/PVDF纤维电阻；3）集成湿度传感器构建双阈值逻辑电路；4）结合WiFi芯片和电化学除湿纺织实现环境调控。

【Structural design of the chip-like multi-threshold logic switch fiber】

研究设计出长度仅0.3mm的电路单元，每个单元等效于由电阻和晶体管构成的完整逻辑开关电路。通过纺织集成，单个纤维片段（含多个单元）可模拟多通道逻辑开关芯片功能，如将三个单元按"OR-AND"关系连接实现三阈值判断。

【Principle of the overprinting fabrication】

创新的软接触曲面印刷原理：利用墨滴曲面的自适应接触（接触面积<液滴直径），实现75μm线宽图案的精确叠印。通过协调液滴高度（方波关系）与纤维旋转角度（三角波关系），实现单边、双边和全包覆三种涂覆模式，单位长度电路密度达3000个>

【Performance of one typical circuit unit】

晶体管单元基于PEDOT:PSS氧化还原机制（Na⁺迁移），在V_GS=1.5V时电导率下降2500倍；电阻单元通过AC/PVDF层数调控阻值。测试证实单个单元可实现上下限阈值判断，弯曲循环100次后性能保持稳定。

【Performance of a textile-type dual-threshold logic switch circuit】

集成PVA/SWCNTs湿度传感器（40-70%RH响应范围）和双电路单元纤维，构建纺织型双阈值逻辑电路。当湿度>70%时Output B触发，<40%时Output A触发，FTIR证实了PVA分子湿胀干缩的可逆性。

【Function demonstration of the textile-type multi-threshold logic switch circuit】

应用验证包括：1）室内环境控制，通过WiFi芯片联动加湿/除湿设备；2）户外汗液管理，电化学除湿纺织（MnO₂/碳纤维电极）在3A/cm²电流密度下产氧7.2mL/h，实现局部汗液清除。

该研究突破了纤维电子器件集成度的限制，使9.4×10⁶个/cm²的计算节点直接覆盖体表成为可能。相较于蓝牙传输的云端计算（延迟300秒），纺织网络可实现<1秒的实时分析，节省300Mbps带宽。Xiaofei Wei、Rui Li等通过材料创新（如树枝状MnO₂电极催化活性提升1.6倍）和工艺突破（轴向对称接触控制），为构建全纤维化体表计算机奠定了基础，未来通过逻辑关系扩展可实现更复杂的"纺织AI"健康管理。