智能多材料光电子纤维的数字化制造

摘要

纤维无处不在但通常是被动的。在纤维中实现光电子学将彻底改变多个应用领域，包括生物合成与可穿戴电子、环境传感、能量收集。然而，由于缺乏一种材料加工策略，允许将晶体半导体（如硅）制成的器件以有序、可寻址、可扩展的方式包裹进纤维，高性能电子器件在纤维中的实现仍是巨大挑战。当前纤维传感器制造方法要么不可扩展，要么将半导体选择限制在非晶材料（如硫系玻璃），其电子性能劣于硅，导致此类传感器带宽和灵敏度不如标准硅光电二极管。我们小组证实了一种通用的纤维内制造逻辑电路和传感系统的方法，类似于超大规模集成电路 (VLSI)，这催生了现代微处理器。我们开发了一种通用的混合制造方法，在二氧化硅、硅和高温金属中组装典型的集成微电子器件和系统的纤维内材料架构。该方法称为“纤维 VLSI”即 “VLSI-Fi”，结合了预制件 3D 打印、纤维热拉拔、以及通过材料选择性空间相干毛细管断裂对纤维芯进行后拉拔组装。我们相信该方法将提供一类新的耐用、低成本、普适的纤维器件和传感器，使织物与家具、服装等人造物体融入物联网 (IoT)。此外，它将推动 3D 打印创新，将数字化制造延伸至纳米电子学领域。

引言

玻璃拉拔纤维可追溯至罗马时代，首批功能光纤由法国 Chappe 兄弟于 1792 年为通信制造。1842 年，瑞士物理学家 Jean-Daniel Colladon 证明光可在水柱中内部导引。这两大发现推动数十年光学和材料工程改进，造就今日高效光纤，实现全球数万公里高速通信和数据存储，如 1996 年完成的 25,000 公里跨太平洋海底光缆 (TPC)。此外，光纤传感器 (FOS) 广泛应用于生物医学、油气、海洋、建筑、化工、航空航天等领域。

1996 年 Philip Russel 开发的光子晶体纤维 (PCF) 实现光传播控制和性能提升，开启了更复杂纤维内部功能结构研究。新微观结构也欢迎材料多样性融入其构成，设计用于电子学、光电子学、纤维内合成、微流体、微机电系统、生物合成接口的智能纤维。智能纤维区别于传统纤维，包含除光通信和商业织物典型用途外的非传统功能。智能纤维可用于电子纺织品美学，通过微观结构光学干涉控制纤维着色外观；或增强性能，如传统光纤导波和介质镜面衬里实现空气导光。

要使纤维功能化，需包含不同电子性质材料，架构专门设计执行特定功能，内部特征尺寸缩减至纳米量级，远小于当前通信光纤芯径。纤维通常由光纤制造方法制备，即从宏观圆柱或长方体棒“预制件”热拉拔而成。制造始于选择合适芯层和包层材料，如金属、绝缘体、半导体。例如，2004 年开发的首个含金属-绝缘体-半导体结构的光纤用于光探测。预制件材料选择需使其粘度 μ 在拉拔温度下可比，大致落在 4 < log(μ)[poise] < 6 窗口，以防止剪切流和毛细管不稳定扭曲器件几何。对于无法满足此要求的材料（如金属或熔融态极薄的晶体半导体），须限制在低纵横比通道内，几何接近平衡态。

预制件本质上是纤维的放大版，可通过卷绕片材、堆叠铣削零件、3D 打印等技术构建 (图 1a (I))，再经真空烧结致密化。预制件在炉中加热拉长成纤维 (如焦糖或太妃糖，见图 1a (II))，基于给定热力学性质（粘度、界面能、相互粘附、差异热膨胀）保持横截面排列 (图 1a (III))。对于 3D 打印预制件，该过程示意图见图 1a。典型拉拔可产出数公里纤维，横截面直径精细至 ~5 nm。

动机

尽管纤维普遍无处不在，但在细纤维中集成高性能微电子系统仍是重大挑战。针对这一挑战的不同方法多聚焦低温材料。例如，高压化学气相沉积 (HPCVD) 用于在微结构光纤 (MOF) 中集成化合物半导体，及制备柔性硅 p-i-n 结光纤。或者用 CO₂ 激光重结晶硅纤维中的 SiGe 芯以调控电子性质。这些方法要么导致器件电子带宽受限 (硫系材料本征非晶)，要么本质上不可扩展。

为此，纤维与增材制造赋能系统实验室 (FAMES Lab) 开发并实施一种控制纤维 3D 架构的技术，本文综述描述。由于最终纤维复杂度与预制件横截面复杂度相关，预制件自由成形制造实现了原本无法达到的纤维器件功能。而且 3D 打印广泛普及，成为传统方法的低成本、用户友好替代方案，允许从热塑性塑料到高温材料、生物材料的广泛材料选择。

此外，FAMES Lab 具备加工高温材料能力，除增材制造中传统热塑性塑料外，可利用 Si/Ge 高电子迁移率，以及未来用于压电应用的钛酸铅锆酸铅 (PZT)/钛酸钡 (BaTiO₃) 复合材料，其具有比聚合物大得多的压电系数和更高声学带宽。

针对这些挑战，我们提出利用增材制造优化预制件制造速度和复杂度、毛细管断裂模拟优化纤维轴向控制、将纤维与组织工程结合等方案。这些策略能创建具备生物传感和生物功能化能力的逼真生物医学平台，用于体外药物和治疗分析，是纤维器件应用的一个有前途方向。

概念

为实现功能纤维，我们汲取超大规模集成 (VLSI) 灵感——这一数字设计制造技术在 1970 年代催生现代微处理器。VLSI 利用光刻和化学/热处理暴露半导体衬底晶圆区域定义集成电路特征 (2D)，通过垂直于晶圆表面堆叠此类层推进完整电路制造 (+1D)。此外，电子掺杂控制单个电路元件 (+0D) 可通过注入和热活化实现。我们的纤维方法称为“纤维 VLSI”即“VLSI-Fi”，类比为：第一，增材制造和预制件热拉拔定义纤维器件横截面几何 (2D)；第二，所得纤维可轴向图案化 (+1D)，将初始连续但分离的芯组装成并联接触的离散器件阵列；第三，可进行个别纤维嵌入器件的偏聚驱动掺杂结构控制 (0D)。表 1 对比两技术，凸显各几何控制维度的对应关系 (“2D + 1D + 0D”)。图 1 详细示意步骤，展示 VLSI-Fi 可实现的纤维嵌入器件示例。

实验部分

本节首先描述聚碳酸酯预制件 3D 打印工作，及玻璃 3D 打印立体光刻新进展。然后探讨通过空间相干、材料选择性毛细管断裂对纤维进行轴向图案化，将初始连续、分离的芯组装成并联接触的离散器件阵列。最后提出生物接口纤维结合组织工程监测体外活性组织生长的应用。功能通过纤维内微流体通道输送细胞和信号生化分子、形状记忆合金丝运动控制、压电元件超声波环境映射实现。

3D 打印预制件热拉拔

传统预制件制造技术如薄膜卷绕、堆叠铣削受限于复杂几何结构生产、耗时长、需熟练劳动力和昂贵设备。3D 打印借助可溶性支撑材料、半自动化和用户友好流程解决这些问题，能在相对短时间内轻松打印极复杂几何结构。

为评估聚碳酸酯 (Hatchbox 3D) 预制件打印角度影响，用单喷头 Prusa i3 MK2 FDM 打印机打印圆柱和方棒。喷头和热床温度设为 235°C 和 105°C，100% 填充密度，0.35 mm 喷嘴。预制件层向取决于零件相对打印床水平取向，热拉拔时热流受层向影响。测试 0°、15°、30°、45°、90° 取向 (角度为预制件纵轴与水平轴夹角)。三温区炉 (90°C、100°C、200°C) 热拉拔。圆柱预制件 0° 和 45° 成功；90° 总因层间剥离失败。

也成功拉拔非平衡结构如方棒 (图 2a (I))，采用改进填充图案而非直线填充，填充也遵循周边有序打印。0° 方基预制件拉拔成功，虽轻微变形但保持预制件形状。成功拉拔尺寸低至 40 µm × 60 µm 纤维 (图 2a)，无层剥离，层间致密化良好。纤维横截面例 (图 2a (IV))，退火前后对比 (图 2a (V)、(VI)) 显示退火后纤维达到光学透明，未来将表征。实验结论：0° 打印预制件最成功，90° 总剥离；预制件打印取向角度越小，热拉拔纤维层致密化越好。

玻璃预制件 3D 打印

除热塑性塑料外，熔融石英等玻璃在光学、通信、电子有重要应用。结构化二氧化硅纤维可服务多领域：织物无染着色、光子晶体光纤光化学检测、单模光纤通信和紧密聚光。通常两步法：预制件制造和热拉拔。拉拔相对简单廉价，但预制件制造目前需逐案处理，每种配置需单独开发技术。

图 2b 展示用高精度挤出打印技术成功实现的苏打石灰玻璃预制件 CAD 模型，类似 Micron3DP 产品。该材料在长波长如红外有优良光学性能，是制造新光学功能纤维的有趣候选。图 2b (I) 模仿蓝 tarantula 毛发结构，类似文献 [46]；(II) 含非平衡横截面几何，易因表面张力最小化重塑。这些模型设计制造旨在验证实现复杂非平衡预制件横截面的可能性。

因包层结构提供拉拔机械完整性——由最高粘度材料组成——我们迄今聚焦该纤维组分，旨在保持预制件横截面几何。长期目标开发多材料共挤技术，单次打印整体集成多材料。或用 Si、Ge 等粉末材料填充结构，再烧结得预制件。Gumennik 等描述类似方法。

若需苏打石灰玻璃为芯材，可打印悬浮芯预制件。悬浮芯光纤用于传感和低损耗太赫兹导波，通常用聚合物实现。此几何中芯由支柱支撑连接外层。拉拔后尺寸缩减至关注波长量级，对导引光呈现悬浮芯效应。Monro 等报道二氧化硅和铋玻璃悬浮芯光纤，并提供生物化学传感应用实例，确认该几何可行性。

基于商用现成树脂的立体光刻 (SLA) 3D 打印玻璃新方法：使用光固化二氧化硅纳米复合材料定制树脂。本文提出用商用现成树脂 3D 打印玻璃纤维预制件，成本更低、更简单。SLA 打印机 (Formlabs Form 2) 用 405 nm 激光从槽底交联树脂，构建平台逐层上升。

为得玻璃打印件，用商用透明树脂 (Formlabs FLGPCL04 Clear) 混合 0.79 mm (1/32") 硼硅酸盐玻璃纤维 (#38 Fibre Glast) 打印。玻璃纤维磁力搅拌分散入透明树脂，分批添加，每次添加后均质约 3 分钟。打印设为开放模式使用自制树脂。打印 4×4×50 mm 长方体预制件，90° 取向。打印后异丙醇浸泡 10 分钟除去多余树脂，UV 光后固化 30 分钟 (60°C)。不同玻璃纤维体积比掺入树脂的固化预制件 (图 2c (I))。

后处理脱脂残留树脂、烧结玻璃颗粒，得全玻璃部件。图 2c (II) 展示固化后 (左) 和烘烤后 (右) 预制件：后者可见烘烤中树脂碳化残留黑色，尖端经灰化呈白色。图 2c (III) 显微镜下烧结前预制件，树脂完全烘出，仅玻璃纤维形成互联多孔结构。需控制烘烤温度和升温曲线以控制化学反应和收缩。热脱脂用灰化炉，棕色件在高温管式炉烧结。1300°C、5×10⁻² mbar 烧结，按文献 [51] 方案。800°C 保温蒸发分子结合水和表面硅醇基。真空烧结减少空气捕获增强光学透明度。

后处理后测量体积和重量得密度，与打印材料平均密度对比：ρ_avg = ρ_resin (1−χ_v) + ρ_glass χ_v，其中 ρ_resin=1.17 g/cm³ (固化透明树脂)，ρ_glass=2.55 g/cm³ (磨制玻璃纤维)，χ_v 为玻璃纤维体积比。结果见表 2 和图 2c (IV)：低玻璃体积比结果符合预期；高浓度偏离线性行为，归因于打印过程沉降导致有效玻璃浓度升高。打印在槽底进行，玻璃浓度因沉降持续增加，从初始均匀浓度 (本应落在计算曲线上) 开始并超越。

表 2 显示 21.54 vol% 磨制玻璃纤维填充件测得密度 1.61 g/cm³，实际体积比 31.88 vol%。实验中得实际 34.78 vol% 样品，接近 Kotz 等 [53] 用定制树脂制备的 37.5 vol% 二氧化硅填充。未来方向包括热处理、烧结、机械光学性能研究。

相干材料选择性毛细管断裂与偏聚掺杂控制

预制件热拉拔后得长细纤维，横截面保持 (图 1a (III))。对于含一个或多个芯的纤维，可通过空间相干、材料选择性毛细管断裂过程 [26] 进行轴向图案化 (图 3)。Tomotika 模型探讨无限均匀加热流体圆柱周期性不稳定性形成，考虑周围流体效应；Rayleigh 不稳定性传播引入前沿传播概念。文献中有多种毛细管不稳定性数学处理 (如 Liang 等 [57])，多聚焦等温体系，不适用本例。本例额外复杂性在于传播热梯度及粘度梯度，可能更接近边际不稳定性准则驱动过程 (Powers 等 [56])。结合计算和实验结果，旨在建立轴向热梯度现象驱动的纤维断裂数学模型。

当前毛细管断裂模拟聚焦稳态。分析初始静止纤维受热梯度时不稳定性如何首次发展。此过程类似 Gumennik 等 [26] 毛细管断裂实验初始步骤：含 4-µm 厚 Si 芯的二氧化硅纤维以氢氧焰热区 (0.3 和 0.1 L/min) 送入。虽此类焰最高温达 2800°C，但纤维经历最高温必须低于二氧化硅沸点 2230°C。

考虑焰宽 3-3.5 mm、纤维直径 ~300 µm，实验测量纤维经历温度梯度不可行。断裂动态过程涉及多材料不同发射率更增复杂性，纤维高纵横比和尖锐粘度比使全纳维-斯托克斯方程数值模拟计算挑战巨大。

模拟 (COMSOL Multiphysics® 5.3a, 微流体和传热模块) 假设轴对称纤维 r_fiber=140 µm，含薄 Si 芯 (r_core=2 µm) 包覆二氧化硅包层。稳态传热模拟显示 15 mm 纤维长度足保两端室温，避免边界影响断裂。扫描热源长度、距离、功率等参数，观察断裂行为变化，收集温度梯度信息。断裂周期和速度可与实验对比、用于模拟优化。

模拟两步：先计算不同热源功率稳态温度分布以达所需 T_max；结果导入时变流体模拟，用 0.05 s 时间步长解纳维-斯托克斯方程，从 0 至首滴捏断 (t_breakup)，后者依赖 T_max (图 4c)。t_breakup 对 T_max 呈指数依赖，因 t_breakup 正比芯粘度，粘度指数依赖温度。表 3 列出相关参数。初步模拟显示 Si 芯相变对稳态温度分布无显著影响，后续流体模拟亦然，因毛细管不稳定区温度均高于 Si 熔点。为降低计算强度，首近似模拟液态 Si 芯。虽全耦合热-流模拟更优，但耦合效应仅带来二阶修正，此阶段可忽略。图 4a 显示 T_max=1900°C 时首滴形成前捏断瞬间模拟芯图像 (颜色标尺表面速度)。图 4d 显示该模拟中二氧化硅和硅密度随轴向位置 (z 轴) 变化，叠加温度分布。

结果允许确定实验观察到的可比断裂时间尺度的粘度范围，定性评估施加于纤维的温度分布。图 4b 显示首滴捏断后实验记录快照，帧对应 t=39 s。因前几帧分辨率不理想，基于断裂行为对称性判断首滴捏断发生在 t=35±3 s，即稳态后断裂时间 14±3 s。图 4c 阴影矩形涵盖与此断裂时间尺度兼容的温度范围，推断纤维经历最大温度 1885±15°C。未来收集断裂行为统计，旨在开发常规手段无法实现的工艺温度测量程序。

此外，断裂后半导体颗粒偏聚驱动掺杂控制可实现，允许控制单个器件内部架构。如 Gumennik 等 [47] 所示 (图 5)，可控制单球结构。液滴离焰时经历热梯度：远离焰端较冷，预期从冷侧侧向凝固。若球掺杂物质在液相溶解度大于固相，凝固前沿推进时掺杂物被排入液相，主要聚集热侧。图 1c 示意此效应，可用于合成结构化颗粒，如 Ge 富集 Si (图 5)：纤维芯 50:50 Si-Ge 混合物，断裂后球凝固，Ge 随凝固演变挤入熔体，形成各向异性分布，产生轴向取向 Janus 颗粒异质结 [47]。此法在组装复杂纤维嵌入器件如异质结 (图 1d、e) 极有用。

生物医学应用

纤维技术常用于生物医学化学、生物、物理传感器。纤维嵌入式传感器设计监测应力、温度、压力、湿度等物理参数，或 pH、氧、二氧化碳浓度等化学参数。光纤束有利于在单一系统嵌入多传感器、提高信号接收电平、改善信噪比。轻量、柔性、独特光学性能是纤维传感器在生物医学研究中需求旺盛的主要特性。满足临床要求，预制件须用生物相容、无毒、化学惰性材料制造以防患者免疫反应。智能纤维开发例子：神经纤维探针由聚合物和金属芯组成，实现柔性和弯曲刚度，提供体内光遗传刺激并递送药物记录电生理反馈；整合微流体原理与复杂横截面几何和米级微通道的光纤，通过微通道导电材料利用介电泳 (DEP) 和惯性力分离活/死细胞。以下策略展示智能纤维在生物接口的新可能性。

考虑一个可作为微观和宏观层面生物活性测试平台的人工肠道。随组织工程进展，多种功能可集成于生物打印机共挤出的生物墨水涂层纤维中制造组织 (图 6(I))。传统生物打印旨在创建组织移植物用于再生医疗，通过精心设计水凝胶 (图 6(II))、适当营养和信号分子 (图 6(III)) 实现。组织工程极具挑战，系统整体生物学实验启动后微秒级完全改变。监测和定期调控组织成熟极其复杂。

我们提出引入智能纤维 (图 6(IV)) 以更好理解生长环境和气候。嵌入式纤维具备多功能 (图 6(VI))：诱导血管生成、超声成像、蠕动运动、微流体流动。通过连接注射泵和分析软件控制微环境。应用特性 (图 6(V)) 含先导实验数据，下节详述。

细胞外基质与血管化

组织工程随人工组织需求增加广泛探索，生物打印逼真组织在明天药物和治疗开发中扮演重要角色。最大挑战之一是细胞外基质 (ECM) 设计，由蛋白质、生长因子、生物分子组成，指导细胞对组织的贡献。天然 ECM 赋予细胞目的和结构，提取通常通过去细胞化组织、回收或再利用 ECM 为新细胞构建。ECM 以溶剂、水凝胶、生物聚合物、生物陶瓷、气凝胶、泡沫形式提供可降解或可吸收结构。鉴于组织工程定义生物系统细节的高复杂性——力学性能、支架溶解/吸收率、初始细胞类型、营养、密度比例、生长因子引入、生物活性和组织自组装——评估天然 ECM 或人工生物材料在相互作用细胞面前的行为至关重要。此外，活性组织需要有组织的血管系统供应营养氧气维持细胞健康生长。血管化提供天然微流体生化原料启动增殖、特化、相互作用、运动。血管网络由血管生成、动脉生成、血管形成构成。血管形成通过内皮干细胞分化分裂发展网络；血管生成从早期胚胎血管形成阶段现有血管长出新芽。

纤维内微流体给料

带周期性微通道的微流体导管可将微流体编织至组织构建特定位置。热区边界液化前沿决定液滴捏断位置。因此多芯可空间相干方式断裂。例如含铂和硅芯的二氧化硅纤维，诱导硅芯成球阵列，再用氢氟酸薄化纤维、氢氧化钾刻蚀硅球、王水刻蚀铂芯，可成多出口纤维管。图 6(V) 示例。纤维柔性允许微流体给料以多种方式集成于组织构建。图 6(IV) 中微流体通道提供必要细胞类型和生长因子，在组织成熟时启动血管形成和血管生成。

生物材料与生化测试

并行纤维开发，设计新测试平台 (图 7a (I)) 分析生长因子存在下血管化和细胞间相互作用 (图 7a (II))。平台用生物相容树脂 (Formlabs Form 2 和 Dental LT Clear 树脂) 30° 取向高分辨率立体光刻打印。打印结果 (图 7a (III)) 组装两根外径 1.8 mm 和 1.0 mm 玻璃毛细管输送生物制剂。初步试验评估生化扩散参数和各生物相容材料中细胞菌落生长。平台设计为一次性。2 小时可打印 24 个测试孔，成本相对低。两根平行纤维毛细管出口距离可调 100-400 µm 探究最佳血管形成范围 (~200 µm)。孔室相互作用介质先用商业生物墨水 (Cellink, USA)，一含海藻酸钠和纳米纤维素素，一含甲基丙烯酰明胶，后续开发自研生物材料。图 7a (I) 玻璃毛细管最终将由图 6a (V) 微流体纤维替代。

蠕动运动

形状记忆合金 (SMA) 丝轻量、耐腐蚀、成本效益高，用于假肢仿生、自扩张手术植入物、航空航天等精细应用。SMA 以形状记忆效应和超弹性著称，虽典型于镍钛，但多种金属合金亦具此性质。图 7(b) 温度-应力-应变图展示形状记忆效应。低温下 SMA 马氏体固态可被机械力变形，热诱导经非扩散分子重排转为奥氏体固态。冷却回初始马氏体形态，即形状记忆效应。热循环由四温度定义：马氏体开始/结束 (M_s, M_f)、奥氏体开始/结束 (A_s, A_f)，指定状态转换起止。马氏体变形时分子去序称脱孪生，允许材料伸长，适合驱动应用。形状记忆循环可百次重复，平均伸长收缩 6%，故称“肌肉线”。

该特性 1938 年 Alden Greninger 和 Victor Mooradian 首报，也可磁场能量触发 (铁磁 SMA，FSMA)，聚合物 (SMP) 亦存在此效应。今日 SMA 机械疲劳断裂、弹性、热力学实验和数学表征完善，行为建模成熟。

虽形状记忆效应允许材料收缩，但机器人应用需可逆运动。通常 SMA 与相反机制串联：弹簧、电驱动、弹性带、或另一 SMA 丝。组件决定线性/旋转驱动及对向收缩是否相等。单丝细弱，可捆绑达所需力并保持响应时间。SMA 丝也可绕卷轴提供更大伸长。多种策略经审阅选用于特定应用。热诱导通常通电 SMA 丝、变化输入电流 (百毫安级) 控制。冷却可自然或加散热器、通风。

纤维拉拔技术允许利用不同材料特性，为 SMA 丝提供弹性涂层保持其无序态。图 7c (I)、(II) 显示纤维可嵌入多根 SMA 丝。选用苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯 (SEBS) 作 SMA 丝周围结构。SEBS 共聚物弹性体耐 80°C 拉拔温度。初步结果显示驱动虽效率低于裸 SMA 丝，但加热 (图 7c (III)) 和冷却 (图 7c (IV)) 循环观察到约 3.07% 变形的往复运动。需更多研究优化，但纤维内 SMA 驱动早期实验前景看好。丝经物理拉伸和热板加热验证概念。通电加热可加速形状记忆效应、更好控制热扩散。5.35 mm 丝直径 0.11 mm，纤维段电阻 18.2 Ω。参考 SMA 厂商 (Dynalloy, Inc.)，0.1 mm 镍钛丝 1 秒收缩需约 200 mA 电流。单独控制每根丝允许定向运动，增加 SMA 丝可实现多方向运动和更强收缩力。若用铁磁 SMA 丝，可通过调节相互作用磁场局部控制运动。此外，FAMES Lab 拉拔塔可旋转预制件拉拔成纤维，制造弹簧状 SMA 丝结构，实现更大变形，类似商用 SMA 弹簧。显然，纤维内 SMA 丝启用多种策略。

生物传感

生物传感器开发方式多样。可设计标记/无标记检测细胞、细菌、激素、蛋白、DNA 等生物元素特定表达，采血、尿、唾液、汗、泪取样。心理生理状况可通过实时生物反馈观察：血压、皮肤电活动、皮肤电导、呼吸心率等。生物成像通过光学成像、超声、磁共振频率、CT、近红外光谱、量子点探针等技术实现。

光纤研究中，以往生物传感光纤依赖硅光子晶体检测生物辐射。光子晶体技术用于无标记实时监测细胞形态和存活。生物光子学进展导致磁共振成像 (MRI) 可见空心微结构光纤。空心芯允许光学辐射沿光纤超长距离传播。空心管内壁涂覆异性电解质和磁性纳米颗粒作 MRI 造影剂。此设计实现新生物医学精准诊断机会，如体内神经活动观测。

超声技术使我们能非侵入式观察液体/凝胶中细胞密度。超声探头通常基于压电效应 (应力产电) 工作，1880 年 Jacques 和 Pierre Curie 发现。逆压电效应 (电场致压电晶体变形) 1881 年 Gabriel Lippmann 数学诱导，1916 年 Chilowsky Constantin 和 Paul Langevin 开发超声潜艇探测用于一战军事。此后声纳应用多样：水下成像、鱼群探测、能量收集。

压电元件互转电能和机械能、传输声波。所有频率带宽参数需精确调控，良好能量传输需良好声学和阻尼匹配阻抗。两根集成压电元件的纤维，设计为脉冲发射端和接收端，可在两者间创建超声波导测量轨迹密度。该纤维使我们能在组织成熟过程中感知环境微观结构。压电元件可从 PZT 芯毛细管断裂制得。PZT 元件声阻抗 33.7×10⁶ kg/m²s，谐振频率 <25 MHz。制得球体衬导电电极连接换能器。此装置为控制系统提供反馈，更好调节微流体和运动给料。纤维内超声成像微环境清晰助理解组织环境随时间行为。

结论

我们提出了纤维 VLSI (VLSI-Fi) 概念——微电子材料液相加工技术组合，形成在纤维和纺织品中制造高性能器件和系统的工具箱。实验工作聚焦于一组演示，证实我们对 VLSI-Fi 窄层面的控制，如预制件 3D 打印、材料选择性空间相干毛细管不稳定性实现纤维内电路组装、单个纤维嵌入器件层面的偏聚驱动掺杂控制。我们设想 VLSI-Fi 将在多个技术领域实现产品，其中之一是制造具有逼真微观结构的主动仿生支架用于工程组织。