生物聚合物基自供电传感器：环境能量收集与智能感知的可持续解决方案

随着物联网和柔性可穿戴技术的快速发展，对小型化、可持续和自供电传感器的需求日益增长。本文综述了基于纤维素、壳聚糖、丝素蛋白和海藻酸盐等生物聚合物的自供电传感技术的最新进展，重点探讨了其通过摩擦电、湿电、热电和压电等机制实现环境能量收集与信号转换的原理。系统分析了生物聚合物的固有特性、复合材料设计策略及其在健康监测、工业传感等领域的应用，为开发绿色、低功耗的智能感知系统提供了重要理论依据和技术路径，对推动可持续电子技术发展具有重要意义。

　　

在当今大数据和物联网（IoT）技术飞速发展的时代，分布式低功耗电子设备对可持续能源的需求日益迫切。传统传感器依赖外部电源或电池供电，存在更换维护困难、环境污染等问题，尤其限制了柔性可穿戴设备和工业监测系统的长期部署。与此同时，全球对碳中和目标的追求推动了对绿色电子材料的探索。生物聚合物（如纤维素、壳聚糖、丝素蛋白、海藻酸盐）因其天然丰度、生物可降解性、生物相容性和可调控的纳米结构，成为新一代自供电传感器的理想平台。这些材料不仅能够通过摩擦起电、湿气诱导等机制独立产生电能，还能与无机纳米材料形成高性能复合材料，在保持生物源优势的同时显著增强机械鲁棒性和功率输出。

本研究系统综述了生物聚合物在能量收集和自供电传感领域的最新进展。文章首先介绍了生物聚合物的基本特性，包括纤维素、壳聚糖、海藻酸盐和丝素蛋白的化学结构、层次结构和物理化学性质，强调了其表面可调官能团（如羟基、氨基、羧基）和亲水性在能量转换中的关键作用。随后，详细阐述了环境能量收集的基本原理和机制，包括湿气驱动发电（扩散诱导机制和流动诱导机制）、热电效应（电子热电和离子热电机制）以及机械能-电能转换（电磁感应、摩擦电发电、压电发电和光电发电机制）。在此基础上，重点分析了生物聚合物复合材料在能量收集和自供电传感方面的应用进展，涵盖了湿气驱动发电与传感器、热差驱动发电与传感器以及机械能驱动发电与传感器（磁电、摩擦电、压电）等多个方向。

为开展此项综述研究，作者主要采用了系统文献调研与分析的方法，对近年来生物聚合物基能量收集和自供电传感领域的重要研究进行了归纳和评述。关键技术方法聚焦于对生物聚合物材料本身特性的分析、能量转换机制的梳理，以及各种复合材料的制备策略（如纳米复合、表面改性、结构工程等）及其性能表征的总结。

生物聚合物

生物聚合物材料因其来源多样、可生物降解和生物相容性等特点，在柔性可穿戴设备和绿色低碳技术中具有重要应用前景。这些材料具有从分子、纳米尺度到宏观尺度的多级层次结构。其独特的物理化学性质通过可调的表面官能团和固有的结构柔性得到增强。例如，纤维素、甲壳素和海藻酸盐等生物聚合物中丰富的羟基、氨基和羧基实现了精确的化学修饰和适应性加工。这种表面基团的可调性，结合天然的柔性和可加工性，使其成为制造自供电传感器的理想材料。

环境能量收集的基础和机制

过去十年中，低功耗传感器技术的显著进步使得功耗降至微瓦级，使得通过收集湿气、热量和相对运动等环境能量实现传感器自主运行成为可能。能量收集装置通过包括湿气诱导发电、热电、压电、磁电和摩擦电效应等机制将可再生环境能转化为电能。这种转变为分布式电子设备提供了连续动力，使其能够以最少的维护自主、可持续地运行。深入了解这些能量收集技术背后的物理和化学原理对于增强能量收集和扩展自供电传感器的应用至关重要。

能量收集和自供电传感的生物聚合物复合材料进展

生物聚合物复合材料在能量收集应用中展现出革命性潜力。其结构可调性、环境相容性和可再生性的独特组合为下一代绿色能源技术提供了新途径。与传统的石油衍生聚合物相比，生物聚合物具有固有的层次结构和丰富的官能团，通过分子工程能够精确调控其电学、力学和界面性质。因此，生物聚合物在摩擦电、压电、热电和湿电发电等多种能量收集和自供电传感领域表现出明显优势。

湿气驱动发电和自供电传感器

壳聚糖和纤维素等天然聚合物具有丰富的亲水官能团，表现出优异的吸湿能力。更重要的是，其精心设计的水合/脱水动力学实现了水分子的梯度驱动定向迁移，从而通过湿气诱导发电机制将环境湿度波动直接转化为可量化的电信号。研究人员从简单的纸张到复杂的异质结构气凝胶，开发了多种湿电发电机。例如，利用未处理的纸张在湿度梯度下发电，实现了0.25 V和15 nA的输出。为了克服间歇性问题，开发了由带相反电荷的纳米纤维制成的非对称离子气凝胶，通过流动势实现连续发电。通过结合太阳能热金属-有机框架（MOF）与磺酸纤维素纳米纤维，实现了发电和集水同步进行。木材的各向异性微通道被用于蒸发驱动的流动电流，每个装置可产生300 mV和10 μA的电流。

热差驱动发电和自供电传感器

将低品位热量转化为电能对于可持续能源系统至关重要。离子热电技术比传统的无机热电材料具有更高塞贝克系数、柔性和更低成本的优势。通过木质素去除制备的可压缩“木材海绵”，其输出达到0.69 V，比天然木材高出85倍，并在≥600次压缩循环中保持稳定。这些可生物降解的海绵可用作可穿戴传感器和LED电源。通过将阳离子壳聚糖季铵盐集成到低共熔凝胶的三维多孔框架中创建离子迁移通道，在15 kPa压力下电压输出达到270 mV，是纯低共熔凝胶的4.5倍。基于聚季铵盐-10/NaOH的水凝胶实现了24.17 mV K^-1的高热功率，对微小至0.01 K的温度差敏感，可组装成超灵敏热传感器阵列，用于检测空间温度分布。

机械能驱动发电和自供电传感器

磁电能量收集和自供电传感器

磁电材料能够将机械能转化为电能，为自供电传感和能量收集提供了理想的解决方案。研究人员开发了磁电服装发电机，在恶劣环境下仍能保持功能，输出达到14.3 V和31.2 mA。产生的电压随摆动频率增加，使其能够作为自供电运动传感器。使用颗粒流纺丝技术大规模生产可拉伸磁性纱线，通过磁电转换实现自供电机械传感。将纱线固定在手指上产生的电压变化与弯曲角度相关，可用于手指运动识别。

摩擦电能量收集和自供电传感器

生物聚合物摩擦纳米发电机因其环境友好性和灵活性而备受关注。将硅藻生物二氧化硅嵌入壳聚糖中制成壳聚糖-硅藻复合薄膜，与反介电层组装形成TENG，在8 N压力和5 Hz频率下输出达到150 V和1.02 μA，可用作检测人体运动和关节运动的自供电传感器。由灯心草制备的中空星状纤维素基TENG重量轻，作为可穿戴自供电传感器用于精确步态分析，在10,000次循环中表现出优异的信号分辨率。通过定向冰模板和盐析制备了具有仿生“壁-隔膜”有序网络的纤维素材料，用于康复领域的稳定TENG基自供电运动传感器，在735.5 kPa压力下保持稳定性，并在11,000秒内表现出耐久性。

压电能量收集和自供电传感器

物联网、可穿戴设备和环境监测的快速增长需要可持续、灵活的能源解决方案。研究人员构建了TEMPO氧化纤维素纳米纤维和二硫化钼纳米片的“砖-砂浆”结构复合薄膜，通过界面耦合效应，纵向压电常数达到31 pC/N，比纯纤维素纳米纤维薄膜提高了近2.6倍。设计了可重构的纸状纳米发电机，使用钛酸钡/纤维素纳米纤维复合薄膜，在反复重塑后仍能保持稳定输出，用于医疗监测。模仿天然结构制备了螺旋双网络纤维素/P(VDF-TrFE)水凝胶，平衡了灵活性和能量收集，用于心脏监测器和人机接口。通过原子层沉积将氧化锌纳米晶体涂层应用到去木质素的木材上，创建了具有各向异性压电性和紫外响应电阻率的复合材料。

压电材料在实际应用中具有重要意义，例如自供电传感和监测。锌铁氧体/细菌纤维素复合材料应用于变压器振动监测，灵敏度达到80 mV/N，在15,000次循环后保持98.04%的保留率。BCZT纳米纤维增强的细菌纤维素/PVA气凝胶具有超低密度、高降噪系数，并通过深度学习实现100%的手势识别准确率，展示了在汽车和智能家居技术中的应用前景。

总结与展望

生物聚合物基自供电传感器代表了材料科学、能源工程和电子学的变革性融合，为下一代智能系统提供了可持续的解决方案。尽管在性能、可扩展性和机理理解方面仍存在挑战，但生物聚合物的独特优势与纳米技术、机器学习和绿色化学的进步相结合，预示着广阔的前景。该领域正在从单一机制设备迅速向集成系统发展，能够同时收集多种能源。通过跨学科整合和工程优化，这些传感器将彻底改变个性化医疗、环境监测和物联网应用，体现可持续性和智能连接。

未来的研究方向应侧重于多尺度性能优化和功能集成，例如通过纳米结构工程和混合复合材料设计来增强性能。开发可持续和可扩展的制造技术，如无溶剂或水相加工路线、低能耗制造方法以及可扩展的制造技术至关重要。扩展应用场景和系统级集成，探索恶劣环境下的应用、植入式医疗设备或大面积环境监测网络，并将这些自供电传感器与能量管理电路、微型超级电容器和低功耗无线通信模块集成，将为物联网创建真正自主的传感节点。