贴附于人体皮肤表面的柔性可穿戴电子器件是实现人机交互与智慧医疗的核心载体。然而，现有的超薄结构体系中面临着一对核心力学与电学矛盾：如何在赋予器件优异透气透湿性能的同时，避免人体活动拉伸带来的电学性能漂移？针对这一瓶颈，南开大学材料科学与工程学院朱剑教授与浙江大学建工学院付浩然研究员团队合作，提出了一种利用应变失配引导屈曲构筑纳米螺旋的通用、可扩展策略。研究团队利用静电纺丝工艺制备的纳米纤维作为基底，在预拉伸状态下向其表面沉积硬质功能材料。释放预应变后，非对称复合截面中的失配应变产生弯曲驱动力，并进一步诱导弯曲–扭转耦合的空间屈曲变形，从而将金属以及有机/无机半导体构筑为三维纳米螺旋结构。该纳米螺旋网络兼具超轻、高透气透湿性、极低等效模量以及宽应变范围（>50%）内的应变不敏感特性，并进一步应用于抗运动与汗液干扰的表皮电极、可拉伸发光显示器件以及高线性无串扰的多模态传感器中。

  2026年9月17日，相关成果以“Nanohelical Permeable Electronics with Strain-Insensitive Performance”为题，在线发表于《Nature Communications》。文章第一作者是南开大学博士生杨振华，第二作者为浙江大学博士生赵哲辉，南开大学朱剑教授和浙江大学付浩然研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

本文核心亮点

  普适且可规模化的三维拓扑构筑：突破了传统几何工程在材料种类上的限制，兼容金属（Ag、Au、Cu、Al、Cr、Ga）与有机/无机半导体（Te、CuPc、并五苯、红荧烯），进一步通过高转速滚筒简化实验步骤，实现大面积纳米螺旋网络制备。

  揭示非对称双层纳米纤维的弯扭耦合螺旋化机制：建立基于Kirchhoff弹性杆理论的版解析标度率模型，定量关联纤维与涂层的几何、材料参数及螺旋直径和螺距。

  实现应变不敏感的机电响应：通过螺旋的可逆解卷绕，将功能层最大局部应变降至5%以下，从而在变形过程中保持稳定的电学性能。

  全方位表皮器件与系统级验证：展示了透气干电极（汗液与水下高保真采集肌电/心电）、双向100%拉伸交流电致发光器件，以及成功制备了应变不敏感的压力、温度与光电探测器。

  经典“硬薄膜–软基底”体系可通过预拉伸–释放诱导表面起皱（wrinkling），为柔性电子中的几何应变调控提供了重要思路。研究团队进一步将这一失稳调控策略拓展至一维纳米纤维体系：在预拉伸的 TPU 纳米纤维表面定向沉积刚性功能层，制备非对称半包覆复合结构。随着预应变释放，失配应变与截面非对称性共同驱动弯曲–扭转耦合的三维屈曲，使原本近直的纳米纤维自发转变为三维螺旋结构。这种几何尺度的改变使失稳模式由局部表面起皱转向整体三维螺旋化。有限元分析表明，随着基底宽度和厚度逐渐减小至与涂层相近的尺度，结构依次经历局部起皱、扭转并最终形成整体螺旋屈曲。与局部高曲率的皱曲变形不同，纳米螺旋能够通过整体弯曲、扭转及后续解卷绕来容纳宏观变形，从而将功能层的最大局部应变控制在较低水平，为应变不敏感的电学响应提供力学基础。

  基于这一机制，研究团队实现了 Ag、Au、Cu、Al、Cr、Ga 以及 Te、CuPc 等多种金属和有机/无机半导体的纳米螺旋化。进一步通过高速旋转滚筒在纤维中引入残余拉伸应变，无需额外预拉伸步骤即可形成大面积准取向纳米螺旋网络。

图1 螺旋结构与褶皱结构应变分布仿真结果对比图

图2 螺旋结构普适性以及大面积制备。

  在电性能测试中，纳米螺旋网络表现出显著的应变不敏感性：取向的纳米螺旋网络沿平行取向方向在应变为50%时ΔR/R₀≈0.035，电阻几乎无明显变化。在10000次拉伸-恢复循环测试后的阻值仅比初始阻值增加5%。纳米螺旋网络极低的低有效刚度、高度可变形性和超薄多孔特征，使其能够共形覆盖皮肤表面的微观沟壑，并由纳米尺度范德华作用进一步稳定界面接触。在低于1kHz的频段内，纳米螺旋电极的皮肤接触阻抗明显低于商用凝胶电极。在出汗或完全浸水环境下，纳米螺旋电极仍可保持稳定的共形接触和高质量生理信号采集。连续贴敷6小时后，受试者皮肤未出现商用凝胶引起的明显红斑刺激。

图3 纳米螺旋皮肤电极的应用。

  最后，纳米螺旋结构还可通过简单的掩膜图案化构建多种可拉伸器件，如电致发光器件，LED电路和柔性传感器。电致发光器件可以实现双轴100%拉伸而发光亮度几乎保持不变。将LED电路转移至手臂后，电路功能不会随着皮肤的拉伸/压缩而受到影响。更重要的是，在对柔性压力传感器施加50%拉伸应变时，压力灵敏度保持率达0.99，实现了对基底拉伸干扰的近乎完全屏蔽。采用Au-aNHNs作为源漏电极、Te-aNHNs作为半导体光敏沟道实现了全螺旋结构光电探测器的构筑，在50%拉伸应变下的下光电流基本保持稳定且具有较快的响应速度。

图4 纳米螺旋基柔性可拉伸器件。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-77875-5