安徽大学王佩红教授AM：珊瑚启发的双纤维素交联气凝胶摩擦电传感器，实现宽压力范围监测与多场景应用

当前，纤维素基传感器的发展受限于机械强度不足和灵敏度范围有限等问题。这类传感器虽然具备生物可降解性和性能可调的优势，但其天然脆性导致结构易损，灵敏度通常局限于较窄的线性范围内，难以在高压或恶劣环境下稳定工作。尽管通过微纳结构设计和材料工程已取得一定进展，但如何使纤维素传感器同时具备超宽传感范围与可靠机械性能，仍是领域内面临的重要挑战。

近期，安徽大学王佩红教授团队报道了一种基于Janus纤维素气凝胶的摩擦电传感器，该传感器采用独特的双纤维素交联网络结构。仿生设计显著增强了分子间相互作用，优化了分子链排列，从而大幅提升了机械稳定性和操作耐久性。与原始纤维素气凝胶相比，该气凝胶的杨氏模量提高了437.5%，可承受超过自身重量5万倍的负载。所制成的传感器展现出高性能特质：能在300 kPa高压下稳定工作4小时，循环寿命长，传感范围可达0–800 kPa，据所知是目前纤维素基摩擦电传感器中最宽的。生物相容性测试进一步证实其适用于可穿戴设备。团队还将传感器集成至可穿戴设备中，成功实现了人体姿态识别，为纤维素基摩擦电传感器的实际应用提供了新策略。相关论文以“Coral-Inspired Double Cellulose Crosslinked Aerogel Triboelectric Sensors with Wide Pressure Monitoring Range for Multi-Scenario Applications”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队从珊瑚结构中汲取灵感，珊瑚通过将纳米级有机基质与微米级钙质框架结合，获得了卓越的韧性、机械适应性和承载能力。基于此，他们利用微晶纤维素作为刚性骨架，纤维素纳米纤维作为纳米级韧性子段，通过氢键和化学交联构建了均匀的双纤维素交联网络气凝胶。添加的环氧氯丙烷交联剂和聚乙烯吡咯烷酮分散剂优化了氢键网络，提高了整体交联密度。经过溶剂置换、二次交联以及冷冻干燥，最终制得了具有优异机械性能和超低密度的Janus纤维素气凝胶。该气凝胶密度仅为0.048 g/cm³，四块总重5克的样品即可承载100公斤的重量，展现出卓越的轻质高强特性。

图1 | 仿生气凝胶的概念与设计。 a) 珊瑚结构及其骨架特性示意图；b) 刚柔双纤维素交联网络的设计示意图；c) 均匀纤维素凝胶骨架；d) 溶剂交换过程中分子链取向与分子变化；e) 溶胶-凝胶法制备的JCA照片；f) JCA可承载100公斤成人重量；g) JCA与其他已报道纤维素气凝胶的力学性能与密度对比。

通过傅里叶变换红外光谱、飞行时间二次离子质谱、X射线光电子能谱等多种表征手段，系统研究了气凝胶的Janus结构与形貌。结果表明，气凝胶内部成功构建了从大孔径到小孔径的梯度孔结构，平均孔径从约82 μm过渡至约42 μm，有效分散应力，增强了结构稳定性。扫描电镜图像清晰展示了其蜂窝状三维多孔结构，而开尔文探针力显微镜测量证实，引入碳纳米管导电网络后，气凝胶两侧接触电势差增大，预示着更高的摩擦电输出。

图2 | JCA的结构与形貌表征。 a) JCA的FTIR光谱；b) JCA-L在负离子模式下的TOF-SIMS谱图；c) JCA的XPS谱图；d) JCA的热重分析曲线；e) JCA-L与JCA-U的孔径分布；f) JCA-U与JCA-L的SEM分析；g) 在1 V偏压下JCA-L与JCA-U的表面电势。

在力学性能方面，双纤维素交联网络与外部高速流动诱导的轴向拉伸协同作用，使气凝胶在压缩测试中表现突出。在50%应变下，其压缩强度可达0.8 MPa，杨氏模量和压缩强度相较于原始微晶纤维素气凝胶分别提升437.5%和410%。有限元模拟进一步验证了其在递增压力下的渐进变形行为，显示了其在可穿戴传感器、自供能设备及抗冲击系统中的潜力。

图3 | JCA的力学性能。 a) 多分子链交联纤维素复合气凝胶的性能增强机制；b) 不同组成纤维素溶液的粘度；c) JCA可支撑超过自身重量20,000倍的人体；d) 材料力学试验机对JCA施加压力（0%–50%）的照片；e) 不同组成纤维素气凝胶的压缩应力-应变曲线；f) JCA的压缩应力-应变曲线；g) PCA与JCA的杨氏模量。

基于Janus结构，团队将非导电的上层作为电荷感应层，导电的下层作为电荷传输与屏蔽层，构建了摩擦电传感器。该传感器在单电极模式下工作，利用接触起电和静电感应原理，将压力信号转化为电信号。得益于气凝胶的高比表面积和三维多孔结构，传感器在0–800 kPa范围内实现了宽域线性响应，其有效监测范围是同等条件下纤维素膜传感器的33.3倍。优化后的传感器响应时间为46毫秒，恢复时间为53毫秒，且在4万次循环后仍保持97.8%的信号稳定性，并在高湿度环境下表现出优异的耐湿性。

图4 | JCAS的传感性能与稳定性。 a) JCAS在不同压力条件下的传感原理；b) JCAS与CMS有效测量范围对比；c) 不同交联剂与组成的纤维素气凝胶传感器的响应时间与恢复时间；d) 基于JCA-U的传感器在不同工作频率下的响应时间与恢复时间；e) JCAS在200 kPa高压下的响应时间与恢复时间；f) JCAS在0至800 kPa超宽压力范围内的灵敏度；g) JCAS与近年报道的摩擦电传感器的测量范围对比；h) JCAS在不同工作频率下的电压输出；i) JCAS在300 kPa工作压力下的工作稳定性。

生物相容性与可降解性评估显示，该气凝胶提取物对L929小鼠成纤维细胞活性无负面影响，细胞存活率超过99%，符合国际安全标准。在纤维素酶作用下，气凝胶可在1小时内快速降解，碳纳米管可通过简单过滤回收并重复使用，制备的传感器性能保持良好，显示出其在可降解瞬态传感器中的应用潜力。

图5 | JCAS的生物相容性与生物降解性。 a) L929细胞经PBS、空白对照、JCA-U、JCA-L处理后的荧光染色图像；b) 空白组、JCA-U、JCA-L在72小时的光密度；c) 72小时后空白组、JCA-U、JCA-L的细胞存活率；d) JCA在纤维素酶作用下降解过程的照片；e) JCAS与回收JCAS的开路电压。

在实际应用展示中，研究团队将多个传感器单元集成为3×3阵列，成功实现了局部压力的空间识别。此外，他们还开发了一款基于该传感器的可穿戴手套式设备，能够通过敲击与挤压两种模式识别摩斯电码与数字手势，在智能辅助、人机交互等领域展现出广阔的应用前景。

图6 | JCAS在可穿戴传感器中的应用。 a) JCA可作为多功能气凝胶传感器广泛应用；b) JCAS指环传感器的信号传输、处理与交互示意图；c) 敲击模式下的JCAS指环传感器；d) JCAS指环传感器使用莫尔斯电码输出“SOS”；e) “SOS”信号的传输、处理与交互示意图；f) 挤压模式下战术手势0–9的信号曲线；g) 各通道的信噪比。

这项研究通过仿珊瑚双纤维素交联策略，成功研制出兼具高强度、宽传感范围、生物相容性与可降解性的Janus纤维素气凝胶摩擦电传感器。其卓越的机械性能确保了在长期高压工作与循环使用中的结构完整性，而宽达0–800 kPa的传感范围则为目前纤维素基摩擦电传感器之最。实际应用验证表明，该传感器在姿态识别、手势交互等多个场景中均具有可靠性能。这一仿生设计理念不仅为纤维素气凝胶材料的开发提供了新思路，也推动了高性能纤维素基摩擦电传感器向实际应用迈出关键一步。