星標(biāo)“醫(yī)工學(xué)人”，第一時(shí)間獲取醫(yī)工交叉領(lǐng)域新聞動(dòng)態(tài)~

在可穿戴技術(shù)飛速發(fā)展的今天，我們?cè)絹碓狡诖軌驘o感、連續(xù)監(jiān)測(cè)健康狀態(tài)的智能設(shè)備。然而，傳統(tǒng)傳感器普遍面臨兩大痛點(diǎn)：一是其剛性結(jié)構(gòu)難以與柔軟的人體舒適貼合；二是它們離不開電池等外部電源，這不僅增加了設(shè)備的體積和重量，也帶來了續(xù)航焦慮和環(huán)境問題。如何創(chuàng)造一種既柔軟靈活、又能自我供電的傳感器，是該領(lǐng)域追求的“圣杯”。

近日，一篇發(fā)表于國(guó)際頂尖期刊《Advanced Materials》的開創(chuàng)性研究，為我們展示了一個(gè)優(yōu)雅而巧妙的解決方案。來自德國(guó)哥廷根大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)，受自然界水分蒸發(fā)普遍存在的啟發(fā)，成功開發(fā)了一種基于木質(zhì)素/氧化鋅納米纖維的自供電超靈敏柔性氣流傳感器。這項(xiàng)技術(shù)將一種可持續(xù)的生物質(zhì)材料，變成了一款能夠從環(huán)境中汲取能量、并能“感知”呼吸等細(xì)微氣流的“活”的電子設(shè)備。

01 該研究的主要進(jìn)步與發(fā)展

這項(xiàng)研究的革命性意義在于其全新的工作原理和可持續(xù)的材料選擇，它將一種能量收集技術(shù)巧妙地轉(zhuǎn)化為一種高靈敏度的傳感模式，為下一代智能紡織品和可穿戴電子設(shè)備開辟了全新路徑。

1）核心創(chuàng)新：將“水分蒸發(fā)”轉(zhuǎn)化為電信號(hào)和傳感信號(hào)

該技術(shù)的核心是一種被稱為“水分蒸發(fā)誘導(dǎo)發(fā)電機(jī)”（WEIG）的原理。當(dāng)水在具有特定納米結(jié)構(gòu)的材料中通過毛細(xì)作用流動(dòng)并蒸發(fā)時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)材料內(nèi)部的離子定向遷移，從而產(chǎn)生持續(xù)的電壓。研究團(tuán)隊(duì)敏銳地意識(shí)到，這個(gè)發(fā)電過程的效率與水分蒸發(fā)的速率直接相關(guān)，而氣流是影響蒸發(fā)速率最直接的因素。 基于此，他們提出了一個(gè)顛覆性的想法：通過監(jiān)測(cè)WEIG產(chǎn)生的電壓變化，就可以反推出周圍氣流的速度。這樣，一個(gè)原本用于發(fā)電的裝置，就搖身一變成為了一個(gè)無需外部電源、靠“呼吸”（蒸發(fā)）來工作的氣流傳感器。

 圖1：自供電傳感器的制造、工作原理及應(yīng)用示意圖（改編自論文圖1） 

圖片說明：該圖全面展示了本研究的設(shè)計(jì)理念。左側(cè)是通過靜電紡絲技術(shù)制造納米纖維膜；中間部分揭示了其核心工作原理——?dú)饬鞲淖兯终舭l(fā)速率，從而調(diào)制其自身產(chǎn)生的電壓，實(shí)現(xiàn)自供電傳感；右側(cè)則展示了其作為可穿戴設(shè)備在汗液、運(yùn)動(dòng)和呼吸監(jiān)測(cè)中的巨大潛力。

2）可持續(xù)的材料選擇：來自植物的“智能纖維”

為了實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，研究團(tuán)隊(duì)選擇了一種巧妙的材料組合，并通過靜電紡絲技術(shù)將其制備成具有高孔隙率和巨大比表面積的納米纖維膜：

木質(zhì)素（Lignin）：作為地球上第二豐富的天然高分子，木質(zhì)素是從植物（如木材）中提取的可再生資源。它富含的含氧官能團(tuán)賦予了纖維膜優(yōu)異的親水性，為水分的有效傳輸和蒸發(fā)提供了基礎(chǔ)。

氧化鋅（ZnO）納米顆粒：通過原位生長(zhǎng)的方式，在納米纖維表面均勻覆蓋一層ZnO納米顆粒。這不僅進(jìn)一步增大了比表面積，更重要的是提供了必要的電荷載體，是實(shí)現(xiàn)發(fā)電和傳感功能的關(guān)鍵。 這種基于生物質(zhì)的材料體系不僅性能優(yōu)越，更具有綠色、可持續(xù)的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

3）卓越的傳感性能：超靈敏、快響應(yīng)

這款基于全新原理的傳感器，在性能測(cè)試中表現(xiàn)出色：

超高靈敏度與寬檢測(cè)范圍：它能檢測(cè)到低至0.25 m/s的微弱氣流，上限可達(dá)3 m/s，覆蓋了從靜息呼吸到日常活動(dòng)的大部分氣流變化。

極速響應(yīng)：其響應(yīng)時(shí)間僅為0.65秒，足以捕捉呼吸、說話等快速變化的氣流。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性：在連續(xù)4小時(shí)的測(cè)試和75次循環(huán)測(cè)試中，傳感器信號(hào)均無明顯衰減，證明了其工作的穩(wěn)定可靠。

 圖2：傳感器的氣流響應(yīng)性能（改編自論文圖3） 

圖片說明：該圖展示了傳感器優(yōu)異的性能。a圖顯示其響應(yīng)時(shí)間快至0.65秒。b圖和c圖表明，傳感器輸出的電壓信號(hào)變化與氣流速度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，證明其作為傳感器的可靠性。g圖和h圖則驗(yàn)證了其長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

4）從實(shí)驗(yàn)室到生活：真正的可穿戴應(yīng)用

為了擺脫對(duì)液態(tài)水環(huán)境的依賴，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步創(chuàng)新，在纖維膜的一端引入了具有強(qiáng)吸濕性的氯化鈣（CaCl?）。這樣，傳感器便可以持續(xù)地從空氣中捕捉水分，實(shí)現(xiàn)了在干燥環(huán)境下的自主工作?；诖?，研究者成功地將其應(yīng)用于多種可穿戴場(chǎng)景：

汗液監(jiān)測(cè)： 傳感器能感知汗液的出現(xiàn)。

運(yùn)動(dòng)與環(huán)境感知： 貼在衣服上，能檢測(cè)到有人走過時(shí)帶動(dòng)的微弱氣流。

呼吸監(jiān)測(cè)： 這是最驚艷的應(yīng)用。將傳感器集成在口罩上，它不僅能精確監(jiān)測(cè)靜息、運(yùn)動(dòng)等不同狀態(tài)下的呼吸頻率和強(qiáng)度，甚至能區(qū)分出說不同詞語（如“Hi”, “Hello”, “Nihao”）時(shí)呼出氣流的細(xì)微差異，展現(xiàn)了其在健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互領(lǐng)域的巨大潛力。

 圖3：作為可穿戴設(shè)備的應(yīng)用展示（改編自論文圖4） 

圖片說明：該圖展示了傳感器走向?qū)嶋H應(yīng)用的巨大潛力。通過引入氯化鈣實(shí)現(xiàn)空氣取水（c），設(shè)備可以作為真正的可穿戴設(shè)備。g圖展示了其作為口罩式呼吸監(jiān)測(cè)器的應(yīng)用。h圖和i圖的結(jié)果尤為亮眼，清晰地顯示了傳感器能夠精確捕捉不同呼吸模式（h）乃至不同發(fā)音（i）的氣流特征。

02 結(jié)論與評(píng)價(jià)

這項(xiàng)研究，是材料科學(xué)、能源科學(xué)和傳感技術(shù)交叉領(lǐng)域的一次精彩演繹。它通過一種“變廢為寶”（利用木質(zhì)素）、“無中生有”（從環(huán)境蒸發(fā)中獲取能量）的巧妙思路，成功地解決了可穿戴傳感器長(zhǎng)期存在的電源和柔性難題。

這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步是多層次的：它不僅在工作原理上獨(dú)辟蹊徑，更在材料選擇上體現(xiàn)了綠色和可持續(xù)發(fā)展的理念。其展現(xiàn)出的超高靈敏度和在呼吸監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，預(yù)示著它在個(gè)性化健康監(jiān)測(cè)（如呼吸系統(tǒng)疾病、睡眠呼吸暫停）、運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)分析、乃至新型人機(jī)交互界面等領(lǐng)域的光明前景。這項(xiàng)研究為我們描繪了未來可穿-戴設(shè)備的理想形態(tài)：它們將不再是冰冷的電子產(chǎn)品，而是如同第二層皮膚般，由環(huán)境驅(qū)動(dòng)、與生命活動(dòng)和諧共鳴的智能體。

▼參考資料

Zhan, Y., Poisson, J., Meng, X., Wang, Z., Chen, L., Wu, T.-H., Koehler, R., & Zhang, K. (2025). Electrospun Lignin/ZnO Nanofibrous Membranes for Self-Powered Ultrasensitive Flexible Airflow Sensor and Wearable Device. Advanced Materials, 2502211. https://doi.org/10.1002/adma.202502211

END

撰文 | 張?jiān)角?/p>

編輯 | 吳苡齊

審核 | 醫(yī)工學(xué)人理事會(huì)