溫度傳感器作為人工智能技術與可穿戴設備的重要支撐，已廣泛應用于智能制造、環境監測、醫療健康、智能交通與智慧家居等關鍵領域。傳感器的穩定性是衡量其可靠性與實用性的關鍵指標，直接影響靈敏度、響應速度、工作壽命及極端環境適應能力，對于數據采集與連續監測至關重要。然而，溫度傳感器在現實場景中常面臨多變外界條件的干擾，尤其是水汽、粉塵以及不良工況等條件，易引發傳感材料的性能衰退，甚至導致傳感功能失效。開發兼具高機械強度和防潮能力的材料是提升傳感穩定性的關鍵，對于傳感器在復雜和極端工況下的穩定運行能力具有重要意義。

【文章概述】

近日，聶雙喜教授課題組受河豚骨刺的啟發，提出一種將剛性金屬骨架嵌入柔性纖維素網絡的設計策略，構筑了一種兼顧強度和超疏水的多孔摩擦電材料。纖維素預先通過低表面能的硅烷處理，使得摩擦電材料的水接觸角達154.2°。摩擦電材料的孔隙率為86.2%，同時楊氏模量達117 MPa，其機械魯棒性超越了現有超疏水多孔摩擦電材料的相關報道。利用摩擦電材料組裝的可穿戴溫度傳感器在極端濕度、強紫外輻射和強應力環境下輸出穩定。結合無線傳感技術與人工智能技術，傳感器實現了遠程可視化反饋，溫度感知的準確率達98.4%。這項研究有利于解決超疏水多孔材料機械性能不足的顯著挑戰，并為構建環境魯棒性可穿戴傳感器開辟新的突破口。

【圖文導讀】

1．仿生纖維素摩擦電材料的設計

河豚的骨刺在形態上呈三角錐形或針狀，是一種具備出色力學性能的外框防護結構。河豚在受到外界威脅時膨脹身體使骨刺外翻，形成密集的“防護層”，顯著提升了其抗穿刺和抗撕裂性能。受此現象啟發，這項工作在硅烷改性纖維素的網絡中嵌入三角錐形堆疊結構的金屬框架，開發了一種堅固的超疏水摩擦電材料。這種復合框架結構賦予材料優異的耐磨屬性，即使經歷數千次磨損材料仍保持優異的疏水能力。材料的疏水性能還經受住極端環境（極寒、輻射）的損耗，所構筑的傳感器在極端濕度、紫外輻射和高應力沖擊作用下輸出穩定。

圖1. 仿生纖維素摩擦電材料的概念與性能

2．纖維素摩擦電材料的多孔結構特征與性能

纖維素采用甲氧基三甲基硅烷改性處理，賦予纖維素疏水基團。隨后利用溶劑輔助超聲振動，驅動改性纖維素溶液進入并包裹金屬框架，并利用冷凍干燥處理保留纖維網絡結構。測試證實了多孔摩擦電材料的成功合成，并且材料的水接觸角達到154.2°，液滴長時間附著在材料表面也并不會滲透，同時經過酸性與堿性溶液浸泡也依舊疏水，證明材料的疏水性能在長時間潤濕下依舊保持穩定。

圖2. 摩擦電材料的結構特征

3．摩擦電材料的機械結構增強機制

采用有限元模擬分析金屬框架類三叉結構的應力分布，并發現應力主要集中在分叉口，表明材料的形變或斷裂易發生在金屬框架的交叉節點。通過使用橡膠磨輪在200 g載荷下經過4000次摩擦循環后材料仍可保持144°的靜態水接觸角。即使經過極端磨損測試（如汽車碾壓和鋼絲球摩擦）和150℃的高溫度環境中，材料仍保持良好的疏水性能。機械性能測試結果證明，摩擦電材料的機械性能超越了現有多孔超疏水摩擦電材料的相關報道，甚至優于大多數超疏水多孔結構材料。

圖3. 摩擦電材料的力學性能

4．環境魯棒性傳感器的性能評估

基于摩擦電材料的堅固且耐磨性能，將其與高得電子能力的聚全氟乙丙烯（FEP）配對構建摩擦納米發電機。在一個工作周期內，摩擦納米發電機的響應時間和恢復時間分別為64 ms和78 ms，證明摩擦納米發電機具備快速響應的工作潛力。材料自身熱電子發射現象為響應環境溫度變化提供了有效途徑。環境溫度從25℃升溫至200℃時，摩擦納米發電機產生輸出顯著衰減，這表明該裝置有望成為反饋溫度變量的傳感器。為了評估環境和工作條件對傳感器的干擾，測試了濕度、紫外輻射、應力強度和頻率對輸出影響。測試結果表明，傳感器有利于屏蔽環境因素的干擾，具備獨特的溫度響應能力。

圖4. 摩擦電材料的溫度響應能力

5．用于高溫觸覺感知的無線傳感系統

溫度傳感器被分別集成在機械手的五個指尖上，形成一個用于識別未知物體的智能觸覺系統。利用基于卷積神經網絡的深度學習技術，可以從多通道的觸摸信號中提取細微的差異和復雜的特征，從而提供識別準確率，深度學習使得傳感器對溫度的平均識別準確率達到98.4%。研究結果表明，疏水耐磨的摩擦電材料可以準確反饋觸摸溫度變化，并具有構建通用性觸覺感知平臺的潛在優勢。

圖5. 可穿戴智能傳感器

【總結】

研究報道了一種堅固且超疏水的纖維素基摩擦電材料，并開發了一種環境自持的高溫觸覺傳感器。摩擦電材料兼具優異的機械性能、耐磨性和疏水性能，即使承受-196℃和高壓沖擊場景下，摩擦電材料的疏水性能仍保持穩定。得益于摩擦電材料優異的機械魯棒性，傳感器在高濕度、高紫外輻射、高應力作用下傳感信號穩定。結合無線傳感技術與人工智能技術，成功集成開發了一種可穿戴觸覺感知系統，并實現了溫度信息的實時觸摸反饋。這項研究為可穿戴傳感器邁向現實應用提供理論參考，同時為新興傳感器的設計提供一種可借鑒的思路。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202518525

來源：能源學人