东华大学覃小红、王黎明《自然·通讯》：防水超弹性热电泡沫，可用于水下人体信号探测！

水下探索在增进我们对海洋生态系统的理解、优化海洋资源管理等方面扮演着关键角色。然而，水下环境动态且不可预测，给潜水员带来了巨大风险。尽管用于实时生理监测的柔性可穿戴传感器技术取得了进展，但多数设备依赖外部电源，且在高湿度环境下性能与稳定性面临挑战。热电传感器虽能利用人体废热，但其在实际应用场景中的适应性及多维信号监测能力仍有待突破。

近日，东华大学覃小红教授、王黎明特聘研究员和昆士兰大学陈志刚教授合作，成功研制出一种基于防水超弹性热电泡沫（TEPUF）的水下监测装置。该装置由涂覆了单壁碳纳米管、PEDOT:PSS和水性聚氨酯复合防水导电层的高孔隙率聚氨酯泡沫构成，不仅具备优异的防水性和机械耐久性，还能实现温度与应变信号的有效解耦，并集成自供电信号传输与高效热湿管理功能，为水下可穿戴电子和人机交互提供了全新思路。相关论文以“A waterproof and ultra-elastic thermoelectric foam for underwater human signal detection”为题，发表在

Nature Communications

研究团队构建了一个基于分布式传感器网络的可穿戴水下监测系统。如图1所示，该系统通过在身体关键部位（如面罩、关节、胸部）部署柔性传感器节点，协同采集呼吸、体温和运动信号，形成一个多维度生理感知矩阵。系统的核心是创新的TEPUF传感器架构，其三维多孔结构在材料设计与结构工程的协同下，实现了信号独立性、环境鲁棒性与穿戴舒适性的统一。通过机器学习算法对多模态信号进行分类、编码与解码，并输入逻辑电路，该系统能对潜水员的生理状态进行实时评估与预警。性能对比显示，TEPUF在防水性、透气性、灵敏度和耐久性等多个关键指标上均超越了近期报道的其他可穿戴多功能热电装置及先进水下传感系统。

图1 用于水下监测系统的多模态信号协同采集与融合决策。 (a) 水下可穿戴监测系统示意图。 (b) 用于温度、压力及刺激解耦的多功能传感器阵列示意图（ΔT：温差；ΔP：压差）。 (c) 用于生理监测的多模态信号融合与分类示意图。 (d) 用于信号处理的二进制编码与逻辑元件设计示意图。 (e) 本工作与其他可穿戴多功能热电装置的性能指标对比。 (f) 本工作与其他水下传感系统的响应时间及稳定性对比。

TEPUF的出色性能源于其独特设计。图2展示了这种材料的卓越特性：它极其轻盈且弹性极高，能在90%压缩后完全恢复原状。通过调控水性聚尿酸与导电材料的比例，TEPUF在保持高透气性的同时，实现了高达112°的接触角，表现出强疏水性。其热电传感能力同样令人印象深刻，在水下环境仍能保持约35.79 μV K⁻¹的塞贝克系数，温度分辨率高达0.05 K，响应时间仅为400 ms。经过20,000次压缩循环后，其塞贝克系数与电阻几乎不变，展现了非凡的长期耐用性。

图2 超轻弹性TEPUF（热电聚氨酯泡沫）的性能与应用研究。 (a) TEPUF的弹性与轻质特性。 (b) 水接触角随时间的变化。 (c) 透气性对比（PUF：聚氨酯泡沫；SWCNTs：单壁碳纳米管；PEDOT:PSS；WPU：水性聚氨酯）。 (d) TEPUF在不同湿度水平下塞贝克系数（S）和电阻（R）的相对变化（ΔS：S变化率；S₀：初始塞贝克系数；ΔR：R变化率；R₀：初始电阻；T₀：环境温度）。 (e) TEPUF的最小温度响应曲线。 (f) TEPUF的温度响应时间。 (g) TEPUF在压缩应变下的响应与恢复时间。 (h) 不同次数压缩循环后TEPUF的S和R相对变化。 (i) 不同压缩应变下TEPUF的S和R。所示数据为三次独立测量的平均值±标准平均误差（n = 3）。

该装置最引人注目的突破在于其信号解耦能力。如图3所示，通过结合塞贝克效应与压阻效应的物理解耦设计，TEPUF能够独立输出温度与压力信号，即使在大变形下也互不干扰。有限元分析模拟清晰地表明，外部压力变化主要影响泡沫骨架的应力分布，而对热电电位场的影响微乎其微。这种特性确保了在复杂水下动态环境中，对热信号和机械信号的精准、独立感知。

图3 TEPUF的解耦机制。 (a) 在温度和压力同时变化下的响应。 (b) 不同ΔT和压缩应变下TEPUF电位与应力的有限元分析。 (c) 不同压缩应变下TEPUF应力的二维有限元分析。 (d) 在ΔT = 12°C、不同压缩应变下TEPUF电位的二维有限元分析。

基于上述性能，研究团队开发了一系列应用演示。图4显示，集成在潜水面罩内的TEPUF传感器阵列，能通过分析呼吸气流的温度波动，可靠地区分正常呼吸、深呼吸、快速呼吸以及口鼻呼吸模式，并在窒息时发出警报。同时，置于胸部的器件可实现实时体温监测。此外，将TEPUF制成智能手套，结合支持向量机机器学习模型，能够以100%的准确率识别复杂的水下手语手势，极大提升了水下作业人员的交互与通信能力。

图4 TEPUF用于水下呼吸监测、体温监测与手势识别。 (a) 水下温度传感机制示意图。 (b) 使用潜水员佩戴设备进行长期呼吸监测期间V和R的变化。 (c) 静态条件下V与T（温度）的关系以及R的变化（ΔT：T变化率）。 (d) 实时T监测及R的变化。 (e) 不同手指弯曲角度下V的变化（ΔV：V变化率；V₀：初始电压）。 (f) 不同手腕弯曲角度下V的变化。 (g) 显示手指和手腕运动手势100%识别准确率的混淆矩阵：（I）需要共享氧气，（II）低氧，（III）耳压不平衡，（IV）OK，（V）上升，（VI）停止。

最终，如图5所示，研究团队构建了一个多模态水下风险预警系统。该系统通过在潜水员的肢体关节和面罩上部署TEPUF传感器，同步捕捉运动姿态、呼吸模式和体温变化。采集到的信号经过无线传输、二进制编码和逻辑电路处理后，可实时评估潜水员的生理状态。例如，系统能准确识别自由泳的规律应变波形、踩水的高频小幅度振荡，以及溺水时的不规则剧烈形变，并相应触发不同级别的预警信号，为潜水员安全提供了至关重要的保障。

图5 用于生理状态与紧急情况检测的多模态水下监测系统。 (a) 自由泳时，(b) 踩水时，以及 (c) 溺水场景下，由腿部和手臂运动引起的R变化。 (d) 呼吸监测。 (e) 体温监测。 (f) 卡诺图及相应的物理显示。 (g) 自由泳示意图。 (h) 潜水员被海藻缠绕示意图。

这项研究通过材料、结构与算法的协同设计，成功解决了水下传感在透气性、耐水性及动态信号解耦方面的关键挑战。与以往仅关注热电性能最大化的研究不同，本工作以实用性为先，确保器件在提供足够热电功能的同时，直面并克服了实际应用中的障碍。它不仅标志着可穿戴自供电技术从实验室原型迈向真实海洋环境应用的重要一步，也为未来可靠、实时的水下人机交互开辟了新的视野。