华科大刘逆霜教授/高义华教授团队—基于离子水凝胶自供电传感器的最新进展

研究背景

尽管由导体、半导体和电介质等电子元件组成的电子传感器已经取得了重大进步，但这些设备与生物系统之间的密切通信仍然存在技术挑战。这是因为生物信号传导是由离子和分子介导的，而不是电子介导的。离子传感的引入为仿生软电子带来了新的活力。近年来，离子水凝胶作为一种新型导电材料，具有良好的延展性、生物相容性和可调节的导电性，在柔性传感器中得到了广泛的应用。传统的离子水凝胶传感器通常需外接电源才能运行，这限制了传感器的小型化、轻便性和可穿戴舒适性。近年来，研究人员不断探索多样化的能量收集策略，已开发出无需外部电源的离子水凝胶自供电传感器。虽然离子水凝胶在自供电传感领域的应用已经取得了很大的进展，但离子水凝胶在该领域的设计与应用却鲜有被更加全面和系统性地总结。

研究进展

本文综述了离子水凝胶在自供电传感器中的最新研究进展，并针对传感器的自供电机制、结构构型和性能设计等方面进行了更详细、更全面的分类和总结，更具针对性和系统性（图1）。首先，重点介绍了离子水凝胶自供电传感系统的自供电机制，包括压电、摩擦电、离子二极管、湿电、热电、电位转导和混合模式。接下来，讨论了离子水凝胶自供电传感器的结构工程，特别是离子水凝胶传感层的构型和性能设计，包括微观结构设计、环境稳定性、机械性能和自修复设计。随后，全面介绍了基于离子水凝胶自供电传感器的最新应用，例如可穿戴电子设备、人机交互、环境监测和医疗诊断。最后，讨论了离子水凝胶自供电传感器面临的挑战和发展前景。本文旨在促进读者对离子水凝胶自供电传感器的理解，并帮助读者跟进该领域的研究前沿。

离子水凝胶因其与生物组织相匹配的机械性能和物理特性以及可定制的导电性而被广泛认为是制造柔性传感器的首选材料。然而，大多数现有的水凝胶传感器需要额外的电源，极大地限制了其应用范围。为了突破这一限制，自供电传感原理成为解决传感器自主运行问题的关键探索方向。能源转换技术的不断创新极大地促进了离子水凝胶自供电传感器的发展。与其他传感器不同，离子水凝胶自供电传感器通过离子迁移将各种外部刺激（能量输入）转换为电信号（能量输出），从而产生电荷分离和电位差。多年来，已经衍生出各种离子水凝胶自供电传感器。本文重点介绍了离子水凝胶自供电传感器的不同自供电机制，包括压电、摩擦电、离子二极管、湿电、热电、电位转导和混合模式（图2）。

离子水凝胶具有出色的柔韧性、易于制备和加工，因此在结构和性能设计方面具有独特的优势。研究人员更专注于精心制备离子水凝胶传感层，以提高传感性能并扩大离子水凝胶自供电传感器的应用范围。这种优化设计旨在提升一些重要特性，例如灵敏度、感应范围、响应时间、稳定性以及多功能性。本文详细介绍了离子水凝胶自供电传感器的微观结构设计以及性能设计（图3），包括机械性能、自愈性、环境稳定性、导电性、自粘性和生物相容性设计（图4）。

离子水凝胶自供电传感器可实现类似于人类感官的感觉功能，同时还能模仿离子迁移的生物机制。其出色的灵活性和灵敏度是该器件的进一步亮点。利用前面提到的各种能量收集技术，已经开发出许多具有不同自供电机制的水凝胶传感器，并广泛用于可穿戴电子产品、人机交互和环境监测等领域（图5）。这些传感器不仅消除了与频繁更换电池相关的经济负担和环境问题，还利用了以前未开发的清洁能源，有效地缓解了当前的能源危机，减少了环境污染，为可持续发展做出了重大贡献。这项创新技术的推广应用将进一步推动科技进步，提高人们的生活质量。

未来展望

尽管近年来离子水凝胶自供电传感器设备取得了重大进展，但它们仍处于研究的早期阶段，仍有许多挑战需要克服，并且新技术的发展仍有很大空间（图6）。未来研究和开发的重点应放在提高传感器的灵敏度和能量转换效率上，这一改进对于提高其性能和扩大其实际应用具有重要意义。目前，离子水凝胶自供电传感器设备的能量转换效率相对较低，阻碍了环境能源的充分利用，导致运行时间短，稳定性差。离子水凝胶作为电极应用于摩擦电传感器，优化电极设计、材料选择和表面处理可以提高传感器的灵敏度和能量收集效率。离子水凝胶的分子和结构设计应是利用热电、压电和离子二极管机制的自供电传感器的主要研究重点，这将增加浓度梯度差异，改善离子定向传输。由于这些进步，自供电传感器的功能和运行将更加高效。对于基于电位转导机制的传感器来说，考虑离子水凝胶和电极之间的界面处发生的法拉第反应是至关重要的。开发新的能量转换机制和优异的传感性能也是未来离子水凝胶自供电传感器发展的主要方向之一，这需要新机制、新材料、先进结构和有效制备方法的充分结合。此外，未来的离子水凝胶自供电传感器应不局限于单一的传感功能，而是集成多种传感功能，例如监测温度、压力、湿度和光线，以满足各种领域的需求。其能够同时利用不同的传感原理来检测和区分复杂的外部刺激，类似于人体皮肤的功能，这备受期待。

材料的稳定性和耐用性对于确保传感器的性能和使用寿命至关重要。离子水凝胶材料可能会因长时间使用而出现膨胀、收缩或老化等问题，需要解决这些问题以提高传感器的可靠性和使用寿命。因此，应进一步开发先进的封装技术，以尽量减少外部环境对离子水凝胶自供电传感器的影响。在未来的设计中还应考虑影响 器件的使用寿命的物理因素和化学因素，以提高稳定性和耐用性。为了提高水凝胶设备的便利性和功能性，离子水凝胶自供电传感器的未来应用还应侧重于集成无线信息传输技术，实现无线功能和更广泛的应用。随着材料科学和纳米技术的不断发展，新型离子水凝胶材料的开发和合成有望提高传感器的功能和性能。此外，与其他传感技术的融合将为离子水凝胶自供电传感器带来更多的应用机会和创新突破。随着科学技术的不断进步，离子水凝胶自供电传感器有望为人类的生活和健康带来更大的便利和创新。