综述：自上而下法制备的木材衍生压力和应变传感器研究进展

这篇综述系统总结了木材衍生传感器（TWPSS）的最新研究进展，重点阐述了自上而下（top-down）策略在压力/应变传感器领域的优势，包括原料选择、木材组分与微观结构对性能的影响、预处理方法，以及传感器特性、工作机制和实际应用。文章对比了自上而下与自下而上（bottom-up）策略的能耗差异（1.83–18.23 MJ·kg?1 vs. 297.47–5575.9 MJ·kg?1），并探讨了压阻式（piezoresistive）、电容式（capacitive）、摩擦电式（triboelectric）和压电式（piezoelectric）传感器的设计原理与性能优化方向。

　　

木材结构与巴沙木的选择

木材作为地球上最丰富的可再生资源，其独特的层级结构从分子尺度（纤维素链）到宏观尺度（细胞孔隙、年轮）均具有优化特性。巴沙木（Ochroma pyramidale）因其快速生长速率（5–7年可达20米）、低密度（40–320 kg·m^?3）和高孔隙率（74.36–91.54%）成为传感器制备的理想原料。其细胞壁中S2层微纤丝角（MFA≈1.4°）的轴向排列赋予材料极高的比强度（轴向压缩模量6 GPa），而S1/S3层（MFA≈90°）则提供横向增强，形成类似蜂窝的稳定微观结构。

自上而下策略：脱木质素

脱木质素是制备木材海绵（wood sponge）的关键步骤，通过选择性去除木质素和半纤维素保留纤维素骨架。常用方法包括NaOH/Na₂SO₃体系（通过亲核磺化断裂β-O-4键）、NaClO₂/CH₃COOH体系（ClO₂氧化开环）和H₂O₂处理（HOO^?攻击芳香环）。两步法脱木质素（如先NaClO₂后NaOH）可提升木材海绵弹性模量，而一步法（如白腐真菌处理）虽环保但耗时长达10周。

木材衍生压力/应变传感器的分类与机制

压阻式传感器：基于几何效应（接触面积变化）或物理效应（导电网络重构）。例如，径向切割的碳化木材海绵因层状结构压缩形成导电通路，灵敏度达1.85 kPa^?1（0–60 kPa），而水凝胶型传感器通过纤维素离子通道收缩实现应变检测（拉伸应变可达438%）。

电容式传感器：利用木材海绵的低模量（≈7.32 MJ·kg^?1）和介电常数可调性。梯度孔隙设计（如仿甲虫斜向结构）可同时提升灵敏度（58.4 MPa^?1）和线性范围。

摩擦电式传感器：依赖纤维素的高电子 donating 能力（摩擦电荷密度≈-130 μC·m^?2）。经阳离子改性（如CHPTAC处理）后，输出性能提升6倍（电压335 V），而全木材设计的正负电极（氨基/氟硅烷改性）可实现自供电传感。

压电式传感器：通过纤维素晶体非中心对称结构（I_α/I_β晶型）产生极化电荷。ZnO纳米线原位生长可使输出电压提升400倍（4.21 V），而DES（低共熔溶剂）处理通过破坏氢键网络增强压电系数（d₃₃=11 pC·N^?1）。

应用场景与挑战

在健康监测领域，木材海绵水凝胶可检测脉搏（响应时间20 ms）和语音振动（识别准确率>95%）；智能家居中，热压密实化木材地板兼具耐磨性（循环10万次）和触控功能；而运动传感方面，自供电乒乓球台能追踪球速（精度1 mm）。当前瓶颈在于性能平衡（如灵敏度与量程的权衡）、批量一致性（木材天然异质性）及绿色工艺开发（如超临界CO₂干燥替代冻干）。

未来展望

仿生多级结构设计（如梯度孔隙）、混合传感机制（压阻-压电耦合）和深共熔溶剂（DES）绿色处理将是突破方向。建立生物基传感器的统一评价标准，并推动其与可降解电路、能源器件的集成，有望解决电子废物危机（2022年全球达6200万吨）。