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大脑皮层布满深浅交错的脑沟与脑回，灵长类三分之二神经组织藏于狭窄脑沟内部，传统脑电采集设备要么刚性穿刺损伤脑组织，要么柔性薄膜无法深入沟裂，长期制约高精度脑信号采集。
近日，香港城市大学史鹏教授团队在《Science Advances》发表了一项颇具颠覆性的工作，由史鹏教授与杨勇教授共同指导，博士后何兴道与博士生Matthew Chamberlin为共同第一作者。
他们研发的sFlex-Fold三维适配神经接口系统，依托人工智能设计的相变液态金属合金，实现了可切换柔性电子器件，既能以刚性形态植入脑沟深处，接触人体体温后自动软化贴合大脑曲面，兼顾大面积覆盖与微创植入两大核心需求，为长效脑机交互开辟了全新材料与器件路线。
图1：sFlex-Fold结构示意图
图注：该器件以液态金属合金为核心，借助AI筛选优化成分，使熔点接近人体体温，实现刚性植入与柔性贴合的智能切换。
被忽视的“信息黑洞”
公众对大脑的想象往往停留在教科书上那个光滑的椭圆形器官。但真实的灵长类大脑皮层布满深浅不一的褶皱，凸起部分称为脑回，凹陷部分称为脑沟。
一个常被忽视的解剖学事实是：我们引以为傲的大脑皮层，大部分面积其实折叠在看不见的沟里。
这意味着如果我们只能覆盖脑回表面，就等于只读取了大脑全部信息的“摘要”而错过了“正文”。
大面积柔性电极阵列能贴合脑回的凸起曲面，却对深邃的脑沟无可奈何，像一张柔软的毯子，只能盖住山丘顶部而无法探入山谷。
刚性穿刺电极虽可深入沟内，但容易损伤脑组织且触发免疫反应。
sFlex-Fold要解决的根本问题，不是提升电极密度或增加通道数量，而是将脑机接口的空间采样率从“二维表面”提升到“三维全脑”。
这项研究恰恰填补了脑沟区域长期存在的“信息黑洞”，让大面积神经信息采集第一次覆盖了完整的大脑皮层褶皱结构。
图2：AI合金设计流程
图注：基于人工智能的合金设计流程。研究团队通过神经网络筛选超3.5万种配方，将Ga₉₇Ag₃合金熔点精准调控至36.2℃。
以体温为“开关”的相变战术
在神经外科手术中，医生长期面临两难困境：电极要放进狭窄脑沟，器件必须有足够刚度自行撑开组织缝隙；
但长期植入后，刚硬器件又会随脑组织微动不断切割压迫神经，引发炎症和瘢痕，最终导致信号衰败。这就是 “刚柔悖论”——硬的伤脑，软的进不去。
sFlex-Fold的精妙之处在于利用人体体温作为“智能开关”，让同一器件在时间轴上扮演两个截然不同的角色。刚性状态下有效模量高达2.03 GPa，足以保持复杂的三维折叠形状。
外科医生可在体外将其贴合3D打印的大脑模型，完整复刻个体化脑沟回曲面，降温至零下22℃锁定形态。植入时，这个刚性器件如同一把定制“钥匙”，自行撑开脑沟组织精准就位，全程无需辅助撑开器。
接触37℃脑组织后，器件在体温触发下完成第二次相变，有效模量骤降三个数量级至1.66 MPa（相当于从硬质塑料的硬度，降到与脑组织几乎相同的柔软度——在体内从一把“勺子”变成了一块“海绵”），与脑组织柔软度几乎一致。
它从“冷刀”变成 “智能皮肤”，紧密包裹脑沟内壁和脑回表面，不再对微动脑组织产生任何切割或挤压。
这一精准控制来自AI对合金配方的设计。团队将Ga₉₇Ag₃合金熔点锁定在36.2℃，确保室温操作时保持刚硬，32℃手术窗口内不提前软化，进入体内后立刻“卸甲归田”。对比纯镓约33.3℃的熔点，这种“高一度”的精准提升将术中提前软化风险降至最低。
图3：温度响应可切换柔
图注：温度响应的可切换柔性特性。器件在加热时由刚性变为柔性，并可在冷却后锁定贴合大脑模型的三维形态。
“贴得紧”比“通道多”更关键
研究团队用离体猪脑开展三维贴合定量测试，猪脑沟回结构与人脑高度相似。
他们将sFlex-Fold和传统铜-聚酰亚胺柔性阵列分别植入猪脑表面，通过显微CT扫描重建器件与脑组织的三维间隙模型，提出关键指标——间隙指数。
间隙越大，脑脊液填充越多，神经信号在到达电极前就被严重衰减。传统柔性阵列近半数覆盖区域间隙超过1毫米，大量电极通道处于“悬浮”状态，信号掺杂大量噪声。
而sFlex-Fold矢状位平均间隙仅0.055毫米，冠状位0.139毫米，贴合精度提升一个数量级。这种物理贴合优势直接转化为电学性能优势。
在大鼠中央沟活体实验中，团队选取沟壁内的扣带回Cg1区域——传统表面电极极难接触的区域。商用柔性ECoG阵列与钨针金标准电极的相关系数仅0.32，信噪比极低；而sFlex-Fold信号相关系数达0.74，与侵入式钨针电极记录质量相当。
电刺激验证中，sFlex-Fold展现出更惊人的能力。刺激右侧Cg1沟壁内神经元，对侧脑区清晰记录到同步诱发场电位——证明器件不仅“贴上了”，更建立了有效“电耦合”。对照组ECoG阵列因无法贴合沟壁，完全未诱发可检测神经放电。
在神经接口领域，“贴得紧”比“通道多”更关键——无效接触只产生噪声，力学匹配才能换来神经信息通量。
图4：在体记录与刺激性能表征
图注：在体记录与刺激性能表征。sFlex-Fold贴合大鼠中央沟Cg1区域，信号与对侧钨电极高度相关，而商用ECoG阵列无法贴合沟壁。电刺激实验中sFlex-Fold可成功诱发对侧脑区场电位。
为退化大脑准备的“动态皮肤”
神经接口的终极目标是“终身陪伴”而非“短期实验”。传统电极面临共同挑战：大脑并非静止器官。正常生理活动中脑组织随心跳呼吸周期性微动；
阿尔茨海默病等神经退行性疾病中，大脑皮层逐渐萎缩、脑沟增宽。硬质电极无法随脑组织变形调整位置，导致电极漂移、信号衰减乃至组织损伤。
sFlex-Fold的长期植入实验给出令人振奋的答案。在为期4周的大鼠蛛网膜下腔植入实验中，传统CuPI柔性阵列组75%动物因急性颅内血肿死亡，而sFlex-Fold组全部存活。
术后疼痛评分、体重变化、自主活动量均接近空白手术对照组。组织学分析显示，sFlex-Fold植入区域胶质纤维酸性蛋白表达仅轻微升高，小胶质细胞标志物Iba1未见显著激活——几乎无胶质瘢痕形成，炎症反应远低于对照组。
机械耐久性测试中，器件经历90°扭转、50%弯曲、10%拉伸和25%压缩四种形变模式，每种循环一万次后电极阻抗保持稳定。反复弯折300次导电性能无衰减。这些指标远超大脑生理微动幅度，为长期植入提供充足力学安全边际。
更深层意义在于，sFlex-Fold柔性态拥有极低模量，不仅能匹配健康大脑力学性能，还能随大脑萎缩动态收缩，始终保持紧密接触界面。它不再是“强加于脑”的异物，而是能与大脑“同呼吸、共命运”的力学匹配皮肤，为脑机接口从“短期实验工具”迈向“终身治疗伴侣”提供了材料学终极可行性。
图5：长期植入生物相容性评估
图注：sFlex-Fold组大鼠全部存活且恢复良好，组织学显示GFAP和Iba1表达均无显著升高，炎症反应远低于对照组。
从解剖学“空间盲区”到材料学“相变开关”，从“间隙指数”到“动态匹配”，sFlex-Fold传递了一个清晰信号：未来神经接口的最高境界，不在于电极多柔软或多密集，而在于器件是否具备“选择合适硬度的智能”——需要穿透时强硬，需要共存时温柔。
从解剖学的“空间盲区”到材料学的“相变开关”，从“间隙指数”到“动态匹配”，sFlex-Fold用一套完整的工程方案回答了脑机接口领域一个被回避已久的问题：如何才能在不损伤大脑的前提下，触及它最深处的褶皱。这项研究宣告了一个新起点——脑机接口正从“读表面”走向“读全脑”的立体时代。
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本文基于以下学术论文撰写：He, X., Chamberlin, M., Chen, Z., Li, J., Gao, Y., Guo, F., Ma, Y., Wei, X., Luo, X., Zhang, W., Qu, J., Wei, D., Zhu, G., Wang, F., Zhang, H., Yu, X., Chen, X., Yang, Y. & Shi, P. Electronics with switchable flexibility for 3D conforming neural interfaces. Science Advances 12, eaee2752 (2026).
文中引用的所有数据、图表及统计结果均来源于上述论文，图片为论文原图截图，版权归原论文作者所有。
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