您是否想過(guò)，您下一件智能穿戴設(shè)備可能源于一杯康普茶的微妙發(fā)酵？

在科技飛速發(fā)展的今天，智能穿戴設(shè)備——從精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)心率、睡眠的智能手表，到追蹤步數(shù)、卡路里的智能手環(huán)——正以前所未有的速度融入生活，拓展著人類感知邊界，成為連接我們與數(shù)字世界的橋梁。然而，傳統(tǒng)電子設(shè)備的剛性材料與柔軟皮膚之間難以彌合的物理間隙，常常導(dǎo)致接觸測(cè)量誤差。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備與人體曲線的完美貼合，提升數(shù)據(jù)記錄的精確度，柔性電子器件——那些能彎曲、折疊、拉伸甚至變形，卻仍能保持優(yōu)異光電性能和可靠性的薄膜設(shè)備——的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用需求正變得日益迫切。但柔性電子的發(fā)展并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。目前常見(jiàn)的柔性基底，如聚乙烯醇（PVA）、聚酰亞胺（PI）等石油基聚合物，在廢棄后難以自然降解，構(gòu)成了環(huán)境負(fù)擔(dān)。因此，尋找更具可持續(xù)性的替代材料成為關(guān)鍵。

在這一背景下，生物材料憑借其天然的可降解性和環(huán)境相容性脫穎而出，如殼聚糖、蠶絲、明膠等紛紛被引入柔性電子領(lǐng)域。其中，尤為值得注意的是細(xì)菌纖維素（BC）。

在所有類型的纖維素中，細(xì)菌纖維可由康普茶發(fā)酵產(chǎn)生，成本低廉、結(jié)晶度高，是理想的智能穿戴設(shè)備制造材料。這種由康普茶中的微生物在茶糖水中自然發(fā)酵生成的生物膜，因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為理想的可持續(xù)智能穿戴材料。

其根源即是環(huán)保的：生產(chǎn)過(guò)程低碳、成本低廉，廢棄后可生物降解，顯著減少了傳統(tǒng)石油基材料帶來(lái)的生產(chǎn)和廢棄污染問(wèn)題。

其性能更是卓越的：其納米纖維形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予它驚人的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度（斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)2800%），能夠完美適應(yīng)身體的各種動(dòng)態(tài)活動(dòng)而不會(huì)撕裂；

同時(shí)，它擁有優(yōu)異的生物相容性，與皮膚長(zhǎng)期接觸不易引發(fā)刺激或過(guò)敏，特別適合敏感人群使用。

其功能還具有高度的可塑性：通過(guò)與MXene納米片、離子液體等導(dǎo)電材料復(fù)合，可以大幅提升其導(dǎo)電性能，賦予其高靈敏度傳感能力（應(yīng)變系數(shù)可達(dá)15.65），足以勝任健康監(jiān)測(cè)所需的精密測(cè)量。這種源自細(xì)菌的“綠色材料”，正驅(qū)動(dòng)著智能穿戴乃至更廣泛領(lǐng)域的創(chuàng)新：無(wú)論是用于心電、汗液葡萄糖等精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，貼合關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)（如手指彎曲、呼吸起伏）；還是應(yīng)用于慢性傷口電刺激治療、術(shù)后腫瘤抑制的智能醫(yī)療；乃至開(kāi)發(fā)響應(yīng)速度快達(dá)74毫秒、支持無(wú)線控制的人機(jī)交互智能紡織品。

可以說(shuō)，細(xì)菌纖維素憑借其綠色可降解、生物相容性強(qiáng)、機(jī)械性能優(yōu)異三大核心優(yōu)勢(shì)，為未來(lái)的智能穿戴設(shè)備提供了一條融合可持續(xù)性與高性能的全新路徑。

細(xì)菌纖維素在可穿戴物理傳感領(lǐng)域的應(yīng)用

細(xì)菌纖維素作為基底材料與活性材料結(jié)合，目前已在傳感器和能量存儲(chǔ)相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于活性材料在細(xì)菌纖維素上的滲透和結(jié)合，拓寬了其應(yīng)用，并為柔性傳感器的發(fā)展提供了新的可能。

心率監(jiān)測(cè)器

利用納米纖維素印刷電路板工藝，可以將電子元件與納米纖維素結(jié)合制作出更為精密準(zhǔn)確的脈搏監(jiān)測(cè)器。上圖展示了心率監(jiān)測(cè)器的工作流程。為了測(cè)量被測(cè)試者的心跳，需將反射式脈搏檢測(cè)器的納米纖維素組件輕輕地濕潤(rùn)并層壓到被測(cè)試者的手指上，干燥后，納米纖維素會(huì)緊緊地貼在皮膚上，將電子元件密封在皮膚表面，提高了測(cè)量的精度。下圖為使用納米纖維素脈搏檢測(cè)器的測(cè)試結(jié)果，我們可以清楚地看見(jiàn)被測(cè)試者的平均心率為72bpm。

細(xì)菌纖維素以其獨(dú)特的生物傳感特性可作為壓力傳感器的創(chuàng)新載體，用來(lái)敏銳捕捉關(guān)節(jié)彎曲、足部承重、坐姿壓力分布等細(xì)微變化，為人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)開(kāi)辟新路徑。

英國(guó)西英格蘭大學(xué)非傳統(tǒng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室主任安德魯·阿達(dá)瑪茲基（Andrew Adamatzky）教授團(tuán)隊(duì)在2022年的突破性實(shí)驗(yàn)，生動(dòng)詮釋了細(xì)菌纖維素在生物傳感器方面的潛力。

研究人員將覆有聚氯乙烯（PVC）觸點(diǎn)的棉質(zhì)手套浸入富含醋酸桿菌的紅葡萄酒培養(yǎng)液，借助微生物的天然合成能力，僅需三天時(shí)間，就能在手套表面培育出一層光滑致密的紅葡萄酒色水凝膠——這便是兼具生物活性與傳感功能的細(xì)菌纖維素膜。

研究者記錄并分析了由細(xì)菌群體產(chǎn)生的尖峰電活動(dòng)。作為一種生物可穿戴設(shè)備，細(xì)菌纖維素手套對(duì)機(jī)械刺激，特別是與壓力和觸覺(jué)相關(guān)的物理信號(hào)能做出準(zhǔn)確的反應(yīng)，通過(guò)分析這些信號(hào)，可以了解使用者的手部運(yùn)動(dòng)模式、力度控制，還能為肌肉疲勞、關(guān)節(jié)健康等狀態(tài)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

細(xì)菌手套的培養(yǎng)過(guò)程也比較簡(jiǎn)單：

把消毒處理、帶有pvc觸點(diǎn)的棉手套浸泡在帶有醋酸桿菌的紅酒內(nèi)；

在28℃以上環(huán)境下靜置三天，待光滑的紅葡萄酒色水凝膠狀初代纖維素膜成型后，取出修剪，再放回培養(yǎng)液繼續(xù)生長(zhǎng)；

新生成的纖維素層會(huì)自然與原有膜體融合，最終形成完整的生物傳感載體。

細(xì)菌纖維素反應(yīng)手套

2023年，法國(guó)未來(lái)技術(shù)研究所（DVIC）研究員Madalina Nicolae攜手團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)出三款創(chuàng)新性交互設(shè)備原型——BioHybrid Device。

該系列設(shè)備以細(xì)菌纖維素為生物基底，通過(guò)在其生長(zhǎng)周期中嵌入導(dǎo)電元件、傳感器及輸出組件，構(gòu)建出可變形、可穿戴且具備人機(jī)交互功能的生物界面。

這一突破不僅打破了生物有機(jī)體與人工器械的傳統(tǒng)界限，更開(kāi)創(chuàng)了“可生長(zhǎng)設(shè)計(jì)”（Growing Design）的制造范式：以生物自然代謝過(guò)程替代傳統(tǒng)合成材料的加工制造，使技術(shù)載體通過(guò)“生長(zhǎng)”而非“建造”成型。

利用細(xì)菌纖維素的生長(zhǎng)特性，Madalina Nicolae將電子元件在細(xì)菌纖維素的不同生長(zhǎng)過(guò)程中植入。

這種創(chuàng)新型分階段植入體系分三種情況：

1、生長(zhǎng)階段植入：在濕潤(rùn)態(tài)細(xì)菌纖維素基質(zhì)中嵌入碳基導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（如石墨烯導(dǎo)線），借助材料的高延展性與生物相容性，實(shí)現(xiàn)電子網(wǎng)絡(luò)與纖維素生長(zhǎng)過(guò)程的原位融合；

2. 干燥階段植入：通過(guò)精確調(diào)控濕度梯度引導(dǎo)材料定向收縮，同步嵌入剛性壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)形態(tài)的精準(zhǔn)匹配；

3. 固化后植入：在細(xì)菌纖維素固化基質(zhì)表面集成LED、振動(dòng)馬達(dá)等輸出組件，構(gòu)建完整的閉環(huán)交互系統(tǒng)。

在這個(gè)過(guò)程中，細(xì)菌纖維素特有的弱酸性環(huán)境（pH≈4.0）構(gòu)成關(guān)鍵挑戰(zhàn)：濕潤(rùn)狀態(tài)下銅、錫、銀等金屬元件易發(fā)生化學(xué)腐蝕。為此，團(tuán)隊(duì)提出生物封裝策略——采用蜂蠟或殼聚糖涂層對(duì)金屬元件進(jìn)行隔離封裝，或直接選用碳基功能材料替代金屬體系，從材料本質(zhì)上規(guī)避腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

該方案不僅解決了跨材料兼容性難題，更凸顯了生物混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中材料科學(xué)與生物學(xué)交叉融合的學(xué)科本質(zhì)。

細(xì)菌纖維素胸甲是美國(guó)科羅拉多大學(xué)Living matter lab于2022年制作的可觸摸式交互穿戴胸甲，胸甲整體由細(xì)菌纖維素歷時(shí)13周緩慢培育而成。佩戴時(shí)，嵌入胸甲的 LED 會(huì)根據(jù)佩戴者被擁抱、輕拍或刷洗的動(dòng)作發(fā)出不同的光響應(yīng)。觸摸的力度越大，光線越亮。

為了讓細(xì)菌纖維素更好地貼合佩戴者，Living matter lab在人體模型上先后覆蓋了四層細(xì)菌纖維素片。第一層和第二層細(xì)菌纖維素塑造了胸甲的造型，并加強(qiáng)了胸甲的核心形狀。

在第二層制作完成后，研究人員將防水LED燈貼在了胸甲上并用第三層細(xì)菌纖維素片將其覆蓋。第四層是導(dǎo)電混合層和裝飾層。研究人員每一層都使用了濕片，讓細(xì)菌纖維素干燥后自己貼合。

從生長(zhǎng)設(shè)計(jì)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)，細(xì)菌纖維素能夠參與到設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，利用細(xì)菌纖維素的不同特性，我們能創(chuàng)造出更可持續(xù)化、更高效、更智能的可穿戴交互設(shè)備。

我們有理由期待，隨著與電子技術(shù)、材料科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的進(jìn)一步融合，這一源于自然的智慧材料將在醫(yī)療電子、環(huán)境友好型電子皮膚等前沿領(lǐng)域釋放出更為巨大的潛力，真正實(shí)現(xiàn)科技與生命的和諧共生。

References:

https://cinte.com.cn/content/?423.html

https://www.mdpi.com/1424-8220/20/7/2047

https://www.researchgate.net/publication/360225799_Living_wearables_Bacterial_reactive_glove

https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3586183.3606774

https://www.colorado.edu/atlas/scoby-breastplate

來(lái)源：as科學(xué)藝術(shù)研究中心

編輯：4925

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