《Smart fiber with overprinted patterns to function as chip-like multi-threshold logic switch circuit》是一篇发表在《Nature Communications》(NC)上的研究论文，介绍了具有多阈值逻辑开关电路功能的智能纤维技术。

01 研究背景

智能纤维(Smart Fiber)：传统纤维材料主要用于纺织或结构增强，但随着柔性电子和可穿戴设备的发展，纤维逐渐被赋予传感、能量收集、信息处理等功能。

逻辑电路集成：现有的纤维电子器件多限于单一功能(如传感或显示)，而将复杂的逻辑电路(如多阈值开关)集成到纤维上仍具挑战性。

多阈值逻辑：多阈值开关电路能够实现更复杂的信号处理，类似于半导体芯片中的逻辑门，但在纤维上实现需要创新的材料和结构设计。

图1 | 作为一维类芯片多阈值逻辑开关电路阵列的智能纤维结构设计

02 研究内容

核心创新

纤维基底上的印刷电路：通过在纤维表面精准印刷功能材料图案(如导电聚合物、纳米材料)，构建类似芯片的逻辑开关单元。

多阈值响应：利用不同功能材料的阈值电压差异，实现多种逻辑状态(如“AND”“OR”“NOT”等)，使单根纤维具备信息处理能力。

动态可重构性：通过外部刺激(如电压、光照或温度)改变材料的导电性，动态调整逻辑功能。

图2 | 通过叠印法可控制备含多电路单元的智能纤维

关键技术

1、材料选择

导电材料：如碳纳米管(CNT)、银纳米线(AgNWs)或聚苯胺(PANI)，用于形成导电通路。

响应性材料：如电致变色材料或相变材料，通过外部刺激改变电阻或电容特性。

2、图案化印刷

采用高精度打印技术(如喷墨打印、微接触印刷)在纤维表面形成微型电路图案。

3、多阈值设计

不同区域的材料具有不同的开关阈值，通过组合实现复杂逻辑。

实验验证

作者演示了单根纤维可实现多输入逻辑运算，例如：

通过施加不同电压，切换纤维的导通状态(类似晶体管)。

集成多个开关单元，实现二进制信号处理。

纤维在弯曲、拉伸条件下仍保持功能稳定性。

图3 | 典型电路单元性能

03 应用前景

可穿戴计算：将逻辑电路直接编织到衣物中，实现本地化信号处理(如生理信号实时分析)。

柔性机器人：作为分布式控制单元，减少对外部芯片的依赖。

智能纺织品：动态响应环境变化(如温度调节、自适应伪装)。

图4 | 混编湿度传感器与双电路单元纤维的纺织品级双阈值逻辑开关电路性能

04 研究意义

突破传统纤维功能限制：首次在纤维上实现类芯片的多阈值逻辑，为“纤维计算机”奠定基础。

低成本与可扩展性：印刷技术适合大规模生产，比传统硅基芯片更适应柔性场景。

跨学科融合：结合材料科学、电子工程和纺织技术，推动新兴领域发展。

图5 | 含多电路单元的纺织品级多阈值逻辑开关电路功能演示