星標“醫(yī)工學人”，第一時間獲取醫(yī)工交叉領域新聞動態(tài)~

在可穿戴技術飛速發(fā)展的今天，我們越來越期待能夠無感、連續(xù)監(jiān)測健康狀態(tài)的智能設備。然而，傳統(tǒng)傳感器普遍面臨兩大痛點：一是其剛性結構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，是該領域追求的“圣杯”。

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

01 該研究的主要進步與發(fā)展

這項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巧妙地轉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備開辟了全新路徑。

1）核心創(chuàng)新：將“水分蒸發(fā)”轉化為電信號和傳感信號

該技術的核心是一種被稱為“水分蒸發(fā)誘導發(fā)電機”（WEIG）的原理。當水在具有特定納米結構的材料中通過毛細作用流動并蒸發(fā)時，會驅動材料內(nèi)部的離子定向遷移，從而產(chǎn)生持續(xù)的電壓。研究團隊敏銳地意識到，這個發(fā)電過程的效率與水分蒸發(fā)的速率直接相關，而氣流是影響蒸發(fā)速率最直接的因素。 基于此，他們提出了一個顛覆性的想法：通過監(jiān)測WEIG產(chǎn)生的電壓變化，就可以反推出周圍氣流的速度。這樣，一個原本用于發(fā)電的裝置，就搖身一變成為了一個無需外部電源、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計理念。左側是通過靜電紡絲技術制造納米纖維膜；中間部分揭示了其核心工作原理——氣流改變水分蒸發(fā)速率，從而調制其自身產(chǎn)生的電壓，實現(xiàn)自供電傳感；右側則展示了其作為可穿戴設備在汗液、運動和呼吸監(jiān)測中的巨大潛力。

2）可持續(xù)的材料選擇：來自植物的“智能纖維”

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

木質素（Lignin）：作為地球上第二豐富的天然高分子，木質素是從植物（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。

氧化鋅（ZnO）納米顆粒：通過原位生長的方式，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，是實現(xiàn)發(fā)電和傳感功能的關鍵。 這種基于生物質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。

3）卓越的傳感性能：超靈敏、快響應

這款基于全新原理的傳感器，在性能測試中表現(xiàn)出色：

超高靈敏度與寬檢測范圍：它能檢測到低至0.25 m/s的微弱氣流，上限可達3 m/s，覆蓋了從靜息呼吸到日?；顒拥拇蟛糠謿饬髯兓?/p>

極速響應：其響應時間僅為0.65秒，足以捕捉呼吸、說話等快速變化的氣流。

長期穩(wěn)定性：在連續(xù)4小時的測試和75次循環(huán)測試中，傳感器信號均無明顯衰減，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圖顯示其響應時間快至0.65秒。b圖和c圖表明，傳感器輸出的電壓信號變化與氣流速度呈現(xiàn)出良好的線性關系，證明其作為傳感器的可靠性。g圖和h圖則驗證了其長時間工作的穩(wěn)定性和可重復性。

4）從實驗室到生活：真正的可穿戴應用

為了擺脫對液態(tài)水環(huán)境的依賴，研究團隊進一步創(chuàng)新，在纖維膜的一端引入了具有強吸濕性的氯化鈣（CaCl?）。這樣，傳感器便可以持續(xù)地從空氣中捕捉水分，實現(xiàn)了在干燥環(huán)境下的自主工作。基于此，研究者成功地將其應用于多種可穿戴場景：

汗液監(jiān)測： 傳感器能感知汗液的出現(xiàn)。

運動與環(huán)境感知： 貼在衣服上，能檢測到有人走過時帶動的微弱氣流。

呼吸監(jiān)測： 這是最驚艷的應用。將傳感器集成在口罩上，它不僅能精確監(jiān)測靜息、運動等不同狀態(tài)下的呼吸頻率和強度，甚至能區(qū)分出說不同詞語（如“Hi”, “Hello”, “Nihao”）時呼出氣流的細微差異，展現(xiàn)了其在健康監(jiān)測和人機交互領域的巨大潛力。

 圖3：作為可穿戴設備的應用展示（改編自論文圖4） 

圖片說明：該圖展示了傳感器走向實際應用的巨大潛力。通過引入氯化鈣實現(xiàn)空氣取水（c），設備可以作為真正的可穿戴設備。g圖展示了其作為口罩式呼吸監(jiān)測器的應用。h圖和i圖的結果尤為亮眼，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 結論與評價

這項研究，是材料科學、能源科學和傳感技術交叉領域的一次精彩演繹。它通過一種“變廢為寶”（利用木質素）、“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期存在的電源和柔性難題。

這項技術的進步是多層次的：它不僅在工作原理上獨辟蹊徑，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)測等領域的應用潛力，預示著它在個性化健康監(jiān)測（如呼吸系統(tǒng)疾病、睡眠呼吸暫停）、運動表現(xiàn)分析、乃至新型人機交互界面等領域的光明前景。這項研究為我們描繪了未來可穿-戴設備的理想形態(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)境驅動、與生命活動和諧共鳴的智能體。

▼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 | 張越青

編輯 | 吳苡齊

審核 | 醫(yī)工學人理事會