AM | “会呼吸”的智能纤维：从水分蒸发到健康监测的自供电革命

在可穿戴技术飞速发展的今天，我们越来越期待能够无感、连续监测健康状态的智能设备。然而，传统传感器普遍面临两大痛点：一是其刚性结构难以与柔软的人体舒适贴合；二是它们离不开电池等外部电源，这不仅增加了设备的体积和重量，也带来了续航焦虑和环境问题。如何创造一种既柔软灵活、又能自我供电的传感器，是该领域追求的“圣杯”。

近日，一篇发表于国际顶尖期刊《Advanced Materials》的开创性研究，为我们展示了一个优雅而巧妙的解决方案。来自德国哥廷根大学的科研团队，受自然界水分蒸发普遍存在的启发，成功开发了一种基于木质素/氧化锌纳米纤维的自供电超灵敏柔性气流传感器。这项技术将一种可持续的生物质材料，变成了一款能够从环境中汲取能量、并能“感知”呼吸等细微气流的“活”的电子设备。

这项研究的革命性意义在于其全新的工作原理和可持续的材料选择，它将一种能量收集技术巧妙地转化为一种高灵敏度的传感模式，为下一代智能纺织品和可穿戴电子设备开辟了全新路径。

该技术的核心是一种被称为“水分蒸发诱导发电机”（WEIG）的原理。当水在具有特定纳米结构的材料中通过毛细作用流动并蒸发时，会驱动材料内部的离子定向迁移，从而产生持续的电压。研究团队敏锐地意识到，这个发电过程的效率与水分蒸发的速率直接相关，而气流是影响蒸发速率最直接的因素。 基于此，他们提出了一个颠覆性的想法：通过监测WEIG产生的电压变化，就可以反推出周围气流的速度。这样，一个原本用于发电的装置，就摇身一变成为了一个无需外部电源、靠“呼吸”（蒸发）来工作的气流传感器。

图1：自供电传感器的制造、工作原理及应用示意图（改编自论文图1）

图片说明：该图全面展示了本研究的设计理念。左侧是通过静电纺丝技术制造纳米纤维膜；中间部分揭示了其核心工作原理——气流改变水分蒸发速率，从而调制其自身产生的电压，实现自供电传感；右侧则展示了其作为可穿戴设备在汗液、运动和呼吸监测中的巨大潜力。

为了实现这一构想，研究团队选择了一种巧妙的材料组合，并通过静电纺丝技术将其制备成具有高孔隙率和巨大比表面积的纳米纤维膜：

这款基于全新原理的传感器，在性能测试中表现出色：

图2：传感器的气流响应性能（改编自论文图3）

图片说明：该图展示了传感器优异的性能。a图显示其响应时间快至0.65秒。b图和c图表明，传感器输出的电压信号变化与气流速度呈现出良好的线性关系，证明其作为传感器的可靠性。g图和h图则验证了其长时间工作的稳定性和可重复性。

为了摆脱对液态水环境的依赖，研究团队进一步创新，在纤维膜的一端引入了具有强吸湿性的氯化钙（CaCl₂）。这样，传感器便可以持续地从空气中捕捉水分，实现了在干燥环境下的自主工作。基于此，研究者成功地将其应用于多种可穿戴场景：

图3：作为可穿戴设备的应用展示（改编自论文图4）

图片说明：该图展示了传感器走向实际应用的巨大潜力。通过引入氯化钙实现空气取水（c），设备可以作为真正的可穿戴设备。g图展示了其作为口罩式呼吸监测器的应用。h图和i图的结果尤为亮眼，清晰地显示了传感器能够精确捕捉不同呼吸模式（h）乃至不同发音（i）的气流特征。

这项研究，是材料科学、能源科学和传感技术交叉领域的一次精彩演绎。它通过一种“变废为宝”（利用木质素）、“无中生有”（从环境蒸发中获取能量）的巧妙思路，成功地解决了可穿戴传感器长期存在的电源和柔性难题。

这项技术的进步是多层次的：它不仅在工作原理上独辟蹊径，更在材料选择上体现了绿色和可持续发展的理念。其展现出的超高灵敏度和在呼吸监测等领域的应用潜力，预示着它在个性化健康监测（如呼吸系统疾病、睡眠呼吸暂停）、运动表现分析、乃至新型人机交互界面等领域的光明前景。这项研究为我们描绘了未来可穿-戴设备的理想形态：它们将不再是冰冷的电子产品，而是如同第二层皮肤般，由环境驱动、与生命活动和谐共鸣的智能体。