文献前沿 | Adv. Mater.：智能热调节气凝胶赋能无源等温柔性传感器

柔性压力传感器可响应机械压缩或外部刺激产生信号变化，广泛应用于医疗监测、人体运动感知、人机交互和可穿戴电子设备。然而，其在户外长时间运行时面临严峻挑战，尤其是在夏季高温暴晒或冬季极寒环境中，环境温度剧烈波动易导致输出信号漂移，影响监测稳定性。传统热界面材料如金属散热片、相变材料和导热膜，往往存在重量大、结构刚性或液体泄漏等问题，难以同时满足传感器的柔性、轻量与热调节需求。为此，本文提出一种基于天然植物衍生的层级结构纤维素气凝胶（HCA）的被动等温柔性传感器，构建融合辐射冷却与热绝缘的双重热管理策略。HCA具备高太阳反射率（95.6%）和中红外发射率（92.7%），在强日照条件下可实现有效辐射散热；同时，其超高孔隙率（99.7%）与中空微纤维结构带来极低热导率（28.9 mWm−1K−1），在寒冷环境中显著抑制热损失。受益于辐射与非辐射机制的协同效应，该无源柔性传感器可在0–100 ℃宽温域内维持稳定工作温度，为复杂环境下的可穿戴电子提供可靠的热稳定解决方案。相关工作以Passive Isothermal Flexible Sensor Enabled by Smart Thermal-Regulating Aerogels发表在Advanced Materials期刊。

本文以中空微纤维组装的层级结构纤维素气凝胶（HCA）为核心，构建被动等温柔性传感器（H-TS），并系统评估其结构、热调节、力学、电输出与实际应用性能。图1–2展示了HCA的结构构建过程及热绝缘性能，其超低热导率来源于高孔隙率、中空微纤维和纳米孔散热抑制机制。图3系统表征了其在自然光照下的被动辐射冷却能力（PDRC），表现出高达95.6%的太阳反射率和92.7%的大气窗口红外发射率。图4揭示其优异的压缩恢复性能与微观力学机制。图5构建了基于HCA的摩擦电传感器结构并验证其在0–100°C环境下对冷热物体的等温响应能力。图6进一步拓展其在人体运动监测中的应用，实现了在夏季阳光直射下的温控信号输出，表现出远优于传统PDMS或纤维素膜基传感器的热稳定性与舒适性。

图1.被动等温传感器结构与工作机制示意图，用于适应动态热环境。a) HCA具有强太阳光反射率（0.3−2.5 µm）、高热辐射（8−13 µm）和超低热导率，使传感器在动态热环境下实现保温或辐射冷却。b) HCA制备示意图。通过X射线显微成像（XRM）获得的HCA三维重建图，其顶部紫色正方区域边长为250 μm。透射电子显微镜（TEM）图像展示了HCA内部的二级纳米结构。c) HCA的光学图像与显微图像揭示其层级微纤维结构，凸显其独特性能来源于复杂的结构构筑。扫描电子显微镜（SEM）图中黄色实线表示纤维的外径，虚线表示内径，表征其中空结构特征。

图2. HCA的热绝缘性能评估及其机理。a) HCA的密度和热导率。b) HCA与其他材料的密度及热导率对比。c-d) HCA（厚度：5.0 mm）在c)冰面和d)热板上的温度随时间变化曲线。e) HCA传热过程示意图。f) HCA（厚度：5.0 mm）在热板上放置60分钟后的红外热成像图，显示其热调节性能。最后一张图显示了60分钟后HCA的顶面温度。

图3. HCA的PDRC性能测量。a) HCA的太阳反射率（断点左侧）和MIR发射（断点右侧）光谱。HCA保持较高的太阳光反射率和MIR发射率，这对于高效的辐射冷却至关重要。b)模拟纳米纤维在0.25−2.5 µm波长范围内的散射效率，纤维直径范围从100到400 nm。c)模拟中空微纤维在0.25−2.5 µm波长范围内的散射效率，尺寸范围从3.0到8.0 µm。d)实际户外测试场景示意与照片（中国杭州：120°12′E, 30°16′N）。e)测试环境条件（太阳辐照度、风速和相对湿度）及亚环境降温性能测试（2023年7月18日）。TB-Cmax表示裸露皮肤与HCA之间的最大温差。f) HCA降温工作机制示意图。g)在阳光下照射15分钟后，皮肤表面覆盖HCA、PDMS膜和尼龙布的光学与红外成像图。

图4. HCA的力学性能。a) HCA在轴向10%至60%应变下的连续压缩应力–应变曲线，展现其可逆压缩性和高压缩强度；插图显示其良好的可回复性。b)在设定40%应变下的轴向循环压缩疲劳测试，显示出良好的可逆性与抗疲劳性能。c) HCA在100次压缩循环中的最大应力和能量损失系数变化趋势。d) HCA在径向10%至60%应变下的压缩应力–应变曲线。e)在设定40%应变下的径向循环压缩疲劳测试。f) HCA的场发射扫描电镜（FE-SEM）图像。g)加载–卸载过程中HCA的有限元分析（FEA）结果。

图5.基于HCA的摩擦电传感器（H-TS）及其被动等温应用。a)初始纤维素气凝胶（未改性MTMS）与HCA的摩擦电输出性能对比。b) HCA在不同温度环境下的摩擦电输出性能。c) H-TS的结构组成示意图。d) H-TS贴附于皮肤用于冷热环境感知的实拍图像，被试抓握不同质量物体（10、20和100g）时电压随时间的变化。e) H-TS在不同压力下的摩擦电灵敏度。f) H-TS和传统传感器基底材料在100 °C恒温条件下的温度–时间曲线，插图显示纤维素膜传感器（C-TS）、H-TS和PDMS基传感器（P-TS）在热兼容性测试中的外观对比。g) H-TS在多次热循环（0–100 °C）后的长期循环稳定性。h) H-TS在应对动态极端热环境下的光学与红外图像。当佩戴H-TS的手指抓握装有冰水或沸水的杯子时，杯体与传感器之间的温差分别高达31.3 °C和34.8 °C，尽管温差显著，H-TS的温度波动仍极小，可实现稳定工作。

图6. H-TS在直射阳光下的人体运动监测应用。a) H-TS在夏季阳光直射条件下的人体健康监测与运动康复中的应用方案与潜在前景。b) H-TS的响应和恢复时间。c) H-TS在不同加载压力（1.8–523.1 kPa）下的开路电压输出（Voc）。d ) H-TS用于监测不同步态（步行、快走、跑步和跳跃）的传感应用。e) H-TS在呼吸监测与摩斯密码识别中的应用。f) H-TS与对照传感器在从室内到户外阳光直射环境下连续监测过程中的传感信号图。g)运动30分钟后，皮肤分别覆盖H-TS与对照传感器（显示皮肤炎症状态）的照片。对比两者在相同阳光照射下的温差，进一步突显H-TS优异的热调控能力。

小结：本文提出了一种结合辐射冷却与热绝缘功能的被动等温柔性传感器系统，依托中空微纤维构建的层级结构纤维素气凝胶（HCA），实现了在0–100 ℃动态环境中的稳定传感输出。HCA同时具备高太阳反射率、强中红外发射率与超低热导率，展现出优异的热管理能力与力学稳定性。该传感器在应对高温暴晒或低温寒冷条件下，仍能保持精准、持续的信号输出，验证了其在健康监测、户外运动等可穿戴领域的实际应用潜力。该研究为多功能热调控气凝胶材料与下一代智能可穿戴器件提供了新思路。

论文信息: S. Zhong, B. Lu, D.-C. Wang, B. Arianpour, S. Wang, H. Han, J. Yin, H. Bao, Y. Liu, Z. Wen, Y. Zhou, Passive Isothermal Flexible Sensor Enabled by Smart Thermal-Regulating Aerogels.

Adv. Mater.

https://doi.org/10.1002/adma.202415386

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