具有优异导电性的柔性导线对可穿戴电子设备的集成和应用而言至关重要。然而，在实际使用过程中频繁形变会使这些导线的结构遭到破坏，严重影响整个集成系统的使用寿命。自修复导线在遭遇结构损坏时能够有效恢复力学和电学性能，有望解决上述问题。然而，自修复导线的实际应用受到两个方面的制约。一方面，它们的拉伸强度（0.05–11 MPa）远低于日常纺织纤维，例如棉（cotton, 28–49 MPa）、聚酰胺（PA, 45–73 MPa）、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维（PET, 60–74 MPa），导致在纺织和穿戴过程中存在严重的力学失配和结构不稳定性。另一方面，这些导线的电阻在弯曲、按压、拉伸和抖动等动态工况下，电阻发生剧烈波动，严重时可达上千欧姆，极大影响了可穿戴电子设备在动态条件下的监测精度。这些问题源于自修复导线的结构和导电组分之间较弱的相互作用，极大影响了力学性能和动态稳定性。

针对上述背景，上海交通大学变革性分子前沿科学中心副教授、张江高等研究院入驻科学家孙浩团队受神经动作电位在生物神经网络中稳定传输过程的启发，借鉴有髓轴突中轴突和髓鞘之间的氢键和范德华力相互作用，构建了基于力电耦合效应的高动态稳定性自修复导线（图1a–b），优异的力学性能（35–73 MPa）实现了与纺织纤维的良好力学适配（28–74 MPa）。其结构和导电组分之间基于氢键和配位键产生的力电耦合效应，显著改善了导线在动态环境下的电学稳定性。例如在500%高应变条件下，导线的电阻变化低于0.7欧姆，并且在模拟帕金森病引起的手部抖动条件下也能实现人体健康状况的稳定精确监测。本文提出的力电耦合策略为发展高动态稳定性的可穿戴电极材料和器件提供了新思路。

相关研究以“A dynamically stable self-healable wire based on mechanical-electrical coupling”为题发表在National Science Review（国家科学评论）上。该论文的第一作者为博士生王硕和欧阳兆锋，通讯作者为孙浩副教授。这项工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和上海交通大学变革性分子前沿科学中心、张江高等研究院的大力支持。

图1. 受有髓轴突启发的高动态稳定性的自修复导线的示意图及其力学和电学性能表征

研究团队利用超分子化学工程调控酰基氨基脲（ASC）基团的氢键结构作为聚合物链的硬段畴，聚1,4-己二酸丁二醇作为软段在硬段畴之间起到桥连作用，提高了自修复聚合物基体（SHP）的拉伸强度和韧性。优化后的SHP作为高强度外壳，液态金属（LM）作为导电内核，制备了动态稳定自修复LM/SHP导线，850%的高应变下展现了73 MPa的高拉伸强度（图1c–d）。通过改变交联度能进一步调控导线的拉伸强度，例如LM/SHP–0为35 MPa, LM/SHP–0.18为73 MPa，与纺织纤维（28–74 MPa）实现了良好的力学匹配（图1f–g）。基于PU、PDMS和PE的复合导线在200%应变下的电阻增加为1.0–65.2 Ω；LM/SHP导线在200%和500%的高应变下，电阻仅仅增加0.1和0.7 Ω（图1e）。

LM/SHP导线在力学和电学方面展现了优异的自修复能力。由于SHP中氢键和ASC基团的动态可逆性，LM/SHP导线在完全断裂和修复后，拉伸强度可以恢复到54 MPa（修复效率为74%）（图2a）。此外，LM/SHP导线在完全切断和修复后，电阻几乎恢复到原来的水平，这是由于LM导电内核的融合重构了导电通路（图2b）。LM/SHP导线比其他核壳结构液态金属基导电纤维具有更高的拉伸强度（73 MPa）和较高的电子电导率（9.8 × 10⁴ S m^–1）(图2c)。作为自修复能力的展示，连接发光二极管（LED）灯和扣式电池的LM/SHP导线在被完全切断且修复前后，LED灯的亮度基本保持不变（图2d），说明导电性能实现了有效恢复。此外，LM/SHP导线在弯曲、按压、打结和摩擦等不同动态工况下都展现出稳定且优异的力学和电学性能（图2e–f）。

图2. 自修复导线的自修复性能以及动态工况下的力学、电学性能。

SHP外壳和LM导电内核之间的力电耦合效应对自修复导线的动态稳定性具有重要意义。通过拉伸试验追踪了LM液滴在SHP基体上的接触角变化。即使拉伸到400%的高应变下，LM液滴也能随SHP基体同时延展，且在应力撤销后两者能同时恢复到原来的形状，说明LM与SHP之间存在强相互作用（图3a）。当用稀盐酸去除LM的氧化层时，LM液滴在整个拉伸和应变回复过程中保持完整的球形，表明LM的氧化层作用显著（图3b）。相同条件下，对比样品PU和PDMS的接触角变化可以忽略不计，这说明它们与LM的相互作用较弱（图3c–d）。进一步利用X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶红外光谱（FTIR）和拉曼光谱来研究SHP与LM之间的界面相互作用（图i–k），发现这种力电耦合效应可以归因于N–H（在SHP中）和Ga₂O₃层（LM表面）之间的氢键，以及C=O、N–H基团（在SHP中）和Ga阳离子（在LM中）之间的配位键，这显著增强了结构（SHP）和导电（LM）组分之间的界面相互作用，从而即使在高应变下LM/SHP导线也能实现高度稳定的电学性能。

图3. 力电耦合效应的机理研究。

LM/SHP导线展现了吸引人的力学、电学以及动态稳定特性，使其成为可穿戴集成应用中有力的竞争者。我们制备了一个集成化的健康监测器件，由多个传感器（例如温度、脉搏和K⁺）、一个微控制器单元（MCU）、蓝牙模块和锂离子电池组成（图4a）。这些组件使用LM/SHP导线连接并集成。即使在LM/SHP导线断裂和修复后，传感器也都表现出可靠的性能（图4b–c）。更重要的是，断裂前以及修复后的LM/SHP导线在锤击、按压和拉伸等动态工况下都能有效维持稳定的电阻，变化值在3–4%范围内，这确保了可穿戴设备的精确监测和稳定运行（图4d）。而基于PDMS和PU的导线在相同动态工况下电阻波动较大（13–44%），表明导线在没有力电耦合效应调控时，界面稳定性较差。集成传感器监测的生理信息可以在移动端实时显示，并传送给医生进行远程诊疗（图4e）。例如，温度传感器能够实时监测人体在不同环境下的温度变化。在LM/SHP导线断裂和愈合后，温度传感器仍然可以正常工作，提高了可穿戴健康监测平台的使用寿命和可靠性（图4f）。

此外，模拟帕金森病引起的手部抖动条件下（~2.7 Hz）实现对招手动作信号（~0.7 Hz）的稳定和精确监测。由于LM/SHP导线具有高动态稳定性，实现了1.19的高信噪比（SNR）（图4g–h）。作为对比，LM/PDMS和LM/PU导线连接的应变传感器在相同条件下信号波动明显，信噪比仅为0.28–0.32。这些结果证明了LM/SHP导线具有优异的动态稳定性，使其成为具有高可靠性和稳定性的可穿戴集成应用的候选者。

图4. 高动态稳定性自修复导线的可穿戴应用。

综上所述，本工作受神经动作电位在生物神经网络中稳定传输过程的启发，借鉴有髓轴突中轴突和髓鞘之间的氢键和范德华力相互作用，提出了基于力电耦合效应的高动态稳定性自修复导线。其结构和导电组分之间基于氢键和配位键产生的力电耦合效应，不仅实现了自修复导线高应变下的优异力学性能，并且提高了导线在各种动态工况下的电学稳定性。本工作不仅推动了自修复导线的实际应用，同时有望为发展高动态稳定性的可穿戴电极材料和器件提供有益的启发和借鉴。

本工作发表后获得了广泛的报道和关注。新加坡国立大学的Benjamin C K Tee教授以“A nerve-like self-healable conductive wire ”为题在National Science Review上对本工作进行了专题评述；美国科学促进会（AAAS）主办的科学新闻网站EurekAlert！、美国物理科学知名网站PhysOrg、材料科学知名网站AZOMaterials等海外媒体也对本研究成果进行了专题报道。

原文链接：

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwae006/7511112#