面向环境可持续性的生物可降解拉格朗日传感器分布式多模态传感平台

《Nature Communications》：Distributed multitudes of bio-inspired, biodegradable Lagrangian sensors for environmental sustainability

本文针对日益加剧的自然与人为环境灾害监测难题，提出了一种基于生物可降解材料的分布式拉格朗日传感器技术。研究通过仿生设计实现传感器的大规模部署，集成动态与化学传感功能，支持无线通信与供能，为广域实时环境监测提供了零废弃的解决方案，对推动可持续工业化具有重要科学意义。

　　

随着工业化进程加速和气候变化加剧，自然灾害（如野火、龙卷风、海啸）与人为灾害（如有毒气体泄漏、化学物质排放）的耦合事件频发，对大规模、高时空分辨率的环境监测提出了迫切需求。传统监测手段如固定监测网络虽能提供标准化数据，但存在空间覆盖有限、难以捕捉瞬变事件、易产生电子垃圾等瓶颈；而无人机、水面航行器等移动平台又受限于电池寿命、回收维护成本及对环境的干扰。如何实现既能动态追踪环境参数，又能完全融入自然且零废弃的传感系统，成为环境技术领域的关键挑战。

在此背景下，美国西北大学John A. Rogers团队在《Nature Communications》发表研究，提出以生物可降解材料为基础的分布式拉格朗日传感器平台。该技术从风媒与水媒植物种子（如槭树、蒲公英、蔓越莓）的传播机制中获得灵感，设计了三类仿生结构：利用前缘涡（LEV）稳定的自旋转飞行器（autorotating flier）、基于分离涡环（SVR）的降落伞式飞行器（parachuting flier）以及作为浮式涡流示踪剂（BVT）的水面漂浮器（drifting floater）。这些结构可携带多模态传感器，随气流或水流移动，实现物理参数（流速、压力、湿度、温度、紫外线）和化学参数（pH、盐度、重金属、溶解氧、有机物）的同步采集，形成拉格朗日框架下的动态图谱。

关键技术方法包括：

1. 1.
   仿生部署策略：通过风驱（LEV/SVR机制）或水驱（BVT机制）实现传感器的大规模散布；
2. 2.
   无线通信技术：采用光学（比色法、荧光/磷光、化学发光/电致发光）与射频（无源反向散射、有源发射）两类低功耗通信模式；
3. 3.
   供能方案：结合无线射频输电、机械（压电/摩擦电）、光学（光伏/光化学）能量采集与微型电池/燃料电池存储；
4. 4.
   可降解材料体系：沿用可吸收医疗电子技术，确保传感器在任务结束后完全降解为环境无害产物。

研究结果

仿生结构设计与环境集成

通过模仿植物种子的空气动力学与流体动力学特性，传感器可实现稳定悬浮或漂浮，最大程度减少对自然流场的干扰。例如，蒲公英种子启发的降落伞式结构可在风中飞行数百米，而蔓越莓种子启发的漂浮器能长期追踪水面化学扩散。

多模态传感与无线读出

光学传感方面，比色法通过颜色变化定量化学物质（如pH、重金属），结合无人机成像实现大面积读取；荧光比率法则提升测量精度。电致发光与化学发光机制支持夜间监测。射频通信中，无源反向散射模式适用于短距离数据回传，而有源射频（如BLE）配合光伏供能可实现较长距离传输。

能源自治与降解特性

摩擦电纳米发电机（TENG）可从波浪运动中采集能量，为水面漂浮器供能；微型光伏电池为空中飞行器提供电力。所有电子元件采用生物可吸收半导体、金属与电介质，确保在服役后完全降解，避免电子垃圾积累。

结论与展望

该研究通过融合仿生设计、可降解电子与无线技术，构建了首个具备全生命周期环境兼容性的分布式拉格朗日传感平台。其意义在于：

1. 1.
   突破了传统监测手段的时空限制，实现了对灾害事件的全过程动态映射；
2. 2.
   以零废弃理念重构了电子设备的生命周期，为可持续技术树立了新范式；
3. 3.
   为未来环境监测网络向更智能、更普惠的方向演进提供了理论基础与技术路径。

未来研究方向包括开发基于生物信号（如萤火虫发光、蟋蟀鸣叫）的新型通信协议、拓展传感器对极端流场（火灾热湍流、龙卷风涡旋）的捕获能力，以及通过动物载体增强移动性。这项技术不仅有望成为应对气候变化的利器，更揭示了人工系统与自然生态深度融合的可能路径。