“我们提出了动态生物电极的新理念，能够解决传统电极材料植入人体后被动、无法调控的问题。”谈及团队最近的研究成果，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）刘志远研究员对 DeepTech 如是说。
（来源：刘志远）
在脑机接口等神经科技领域，电极作为连接人工设备与生物神经组织的重要传感部件，构成了系统实现信号交互的关键基础。但目前常用的植入式电极多处于“静态”工作模式，一旦植入便难以调整位置，不仅信号采集范围受限，还易引发免疫排斥反应，导致界面稳定性下降和信号传输性能衰退。这些问题严重限制了脑机接口的长期可靠性与进一步应用拓展。
近期，该团队开发了一种名为“神经蠕虫（NeuroWorm）”的新型纤维电极。其直径仅 196 微米，不仅柔软可拉伸，更重要的是能够长期稳定地动态监测神经系统功能，为生物电子学领域开辟了动态界面电极的新方向。
刘志远表示，随着技术的进一步发展，这种柔性纤维电极有望为脑机接口、智能假肢控制、癫痫病灶定位、慢性神经疾病管理等临床需求提供更灵活、更微创、更智能的解决方案。
图丨放大镜视野下的 60 通道神经纤维电极（来源：该团队）
日前，相关论文以《面向动态生物电子学的可移动长期植入式柔软纤维电极》（A movable long-term implantable soft microfibre for dynamic bioelectronics）为题发表在Nature[1]。深圳先进院谢瑞杰博士后、韩飞副研究员、余潜衡远研究助理和李冬博士是共同第一作者，深圳先进院刘志远研究员、徐天添研究员、韩飞副研究员、东华大学严威教授担任共同通讯作者。
图丨相关论文（来源：Nature）
用二维超薄薄膜制备一维纤维，让电极“动起来”
长期以来，刘志远团队致力于推动生物界面柔性可拉伸电极和传感器向智能化和活性化方向发展。该研究始于刘志远对生物电子器件未来发展的深度思考和好奇心。此前，他很早就意识到该领域由静态向动态范式转变的趋势。
需要了解的是，用生物电子器件进行神经调控，一般会在体内植入静态的电极或传感器，这会导致其在植入后容易被细胞包裹或产生排异反应。另一方面，传统植入物无法调整靶向位置，一旦发现需要调整位置，只能重新植入或者放弃。
一部科幻电影中曾描述过这样的场景：外骨骼（相当于穿戴式装甲）通过自动伸出纤维状黑线插到肌肉内，来读取肌肉电信号识别人的动作意图，以实现更好地控制。刘志远由此想到，微创植入要想实现创伤小、出血少的效果，是否可以尝试用纤维微创植入，来读取骨骼肌肉的电信号呢？但不容忽视的是，沿着纤维的轴向，在细纤维上加工多个独立通道充满挑战。
（来源：Nature）
为此，团队成员提出了一种新策略：让电极卷曲起来，在此过程中电极不仅能把自己封装起来，还可能沿着纤维的长度方向制作独立的多通道电极。但是，要往动态方向发展这样还不够，于是研究团队在蚯蚓结构的启发下进一步提出，纤维是否能像蚯蚓那样慢慢蠕动呢？
基于此，他们逐渐明确了“神经蠕虫”（NeuroWorm）的设计概念，并提出通过外部磁场调控实现大脑或肌肉特定区域的精准运动。
尽管在以往的研究中，已有很多关于大脑内长期生物相容性的研究，但外周肌肉内却鲜有研究者探索。原因在于其力学环境非常复杂，并且无论是骨骼肌还是其他肌肉的形变很大，特别是在运动状态下。这对材料提出了更苛刻的要求：不仅需要柔软、有足够的可拉伸性，还需要能够经受住不断摩擦的作用。
图丨 NeuroWorm 的特性（来源：Nature）
需要了解的是，纤维直径大约在 100 到 200 微米之间，而二维薄膜的厚度仅为 300 到 600 纳米，加工难度极大，这实际上是用二维生物电子设备来构造一维纤维结构。该研究的创新之处在于，不仅利用了纤维的内部空间，还同时收集多达 60 个通道的肌肉电信号。
值得关注的是，NeuroWorm 在不需要二次植入的前提下，可以在肌肉组织内实现灵活的方向调节，并可以“动态”监测特定区域。这种动态生物电极植入肌肉的微创口在 500 微米以下，大幅降低了植入过程中感染的风险。
（来源：Nature）
实验结果表明，在大鼠体内，该电极可实现 43 周以上的高质量生物电信号采集。研究人员还对植入肌肉内 54 周后的效果进行观察，结果显示其在体内排异反应小。
创新不止于提出“新概念”
作为脑机接口的核心元件，电极经历了从硬质的芯片电极逐渐发展到柔性、可拉伸电极，再到如今动态生物电极的发展。人体可被视为一个活态器件系统：它由细胞组成，能够自我迭代、功耗低，还能自我净化和自适应。随着软体驱动器和微型机器人控制等技术的发展，可以预见的是，未来其电极将向活态化发展，也就是说，它将越来越接近生物组织。
另一方面，人机界面和脑机界面传感器，也呈现出向智能态发展的趋势。这要求传感器需要具备感知、运动和计算一体化的模式。刘志远进一步说道：“从技术进化发展来看，我们的工作也要继续朝着这个方向深化，比如实现动态加智能，让电极本身具备计算能力，并对自身有一定的调控自主性。”
（来源：Nature）
刘志远指出，学术界已经研究柔性可拉伸电极和柔软可拉伸导电材料二十多年，未来必然会走向产业。目前，德国和美国等国家已有相关公司开始推动这种技术的商品化。
在产业化方面，目前刘志远团队已孵化初创公司将柔软可拉伸导电材料以及柔软可拉伸电极阵列技术落地转化。据介绍，目前团队已经实现小批量量产，并为国内外相关科研机构供货。
他们计划继续攻关可拉伸电极阵列的应用难题，并致力于寻找更好的透气性和可调控性解决方案。与此同时，该团队还打算推出新一代电生理电极系统，无论是体表调控器还是体内电极，希望能够替代或升级现有电生理监测和刺激电极的可操控性。
（来源：该团队）
在接下来的研究阶段中，研究团队计划深入探索电极植入后界面的反应机制。现阶段，领域内的共识是：长期植入于体内的电极需要尺寸小且柔软度与人体组织相近。但对于如何“骗过”免疫系统，如何降低免疫反应等方面的具体机制尚未明晰。所谓“知己知彼，百战不殆”，只有研究清楚相关机制和基因表达，才有可能未来实现电极界面的个性化定制调控。
另一方面，尽管在本次研究中长期植入的实验结果较为理想，但不容忽视的问题是，长期植入后，肌电信号会有一定程度的损失，研究人员未来也将继续探索相关原因。
刘志远指出，“新概念就像是一束光照亮领域的新方向，可以在学术领域从认知结构上起到启示和引导的作用。在我看来，动态生物电子学领域还有很多值得探索的空间，比如更改控制方法、更改目标器官、更改电子形态等。”
研究人员在提出方法和概念基础上，还计划继续探索动态生物电极的其他方向，更要深入研究控制方式。例如，为实现电极在大脑中极慢控制，需要进一步研究控制速度的调控范围等。
需要了解的是，本次研究是在肌肉表面（on muscle），而长期植入需要在肌肉内部（in muscle），因此他们还将继续探索实现活体内运动的控制力道问题。此外，在电极的形态上还有很多需要探索的方向，比如纤维形态或其他可变形、可重构的形态、其他脏器的免疫反应和长期作用等。
目前，该团队已经将研究中的所有植入过程和细节，包括植入的技巧都公布在课题组网站上，希望通过这样的方式形成一种正向循环。据了解，他们还计划建立一个关于研究长期植入的联盟，通过电极样本收集等方式，与更多领域内研究者共享这些宝贵的数据。
参考资料：
1.Xie, R., Han, F., Yu, Q. et al. A movable long-term implantable soft microfibre for dynamic bioelectronics.Nature645, 648–655 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09344-w
