摘要：近年来，全球人口激增与工业化进程不断加快，给自然资源和生态系统的健康与稳定带来日益严重的压力。2019年，仅大气污染就导致近900万人过早死亡。传统的环境监测方法主要依赖人工采样与实验室分析，不仅效率低下，也难以捕捉污染物在空间和时间上的动态变化。尤其是在大面

新材料助力大规模环境传感器网络，实现生态无害化监测

近年来，全球人口激增与工业化进程不断加快，给自然资源和生态系统的健康与稳定带来日益严重的压力。2019年，仅大气污染就导致近900万人过早死亡。传统的环境监测方法主要依赖人工采样与实验室分析，不仅效率低下，也难以捕捉污染物在空间和时间上的动态变化。尤其是在大面积区域（超过1平方公里）实现高分辨率监测，仍面临自动化程度低、部署成本高、设备难以回收等重大挑战。

美国西北大学John A. Rogers教授、乔治亚理工学院Matthew T. Flavin助理教授合作发表的一篇综述文章提出，通过材料科学、化学、电子技术和机器人学的跨学科融合，有望构建完全自主、可大规模部署且能在使用后自然降解的分布式环境传感器网络。这类系统能够实现对空中、陆地和水体环境中化学、生物和物理因素的高精度、时空连续监测，尤其适用于事故后的应急监测、农业环境评估和生态健康研究，从而为全球环境保护与生态修复提供关键技术支撑。相关论文以“Materials advances for distributed environmental sensor networks at scale”为题，发表在Nature Reviews Materials上。

文章指出，当前环境中除了重金属、农药、辐射等传统污染物外，新型污染物如全氟烷基物质（PFAS）和微塑料也日益引起关注。PFAS因C–F键的高稳定性难以自然降解，易在人体中积累，引发免疫和代谢疾病；微塑料更是广泛存在于全球各类生态系统乃至人体组织中，对土壤和水体生态均构成威胁。此外，农药、抗生素、激素等生物活性物质通过农业和医疗活动进入环境，影响土壤微生物组，甚至导致抗药性病原体的产生，威胁公共健康。

图1 | 环境污染物的来源、类型及健康影响。 a. 常见环境污染物类别及其来源概览。 b. 受环境污染影响的人体系统。PCB：多氯联苯；PFOS：全氟辛烷磺酸；PM：颗粒物。

在检测原理方面，研究者发展了多种传感机制。光谱法通过分析物质对特定波长光的吸收或发射来识别污染物，虽灵敏度高但设备昂贵；比色法借助颜色变化实现可视化或数字化检测，成本低且便于现场使用，但自动化程度有限；电化学传感器则通过测量电压、电流或阻抗变化实现对污染物的高灵敏度检测，尤其适用于微量重金属、农药和抗生素的监测。此外，还有基于粒子计数、电阻/电容变化以及微生物代谢活性的生物传感方法，共同构成了环境监测的多维技术体系。

图2 | 传感模式。 a. 使用螯合配体通过光学吸收变化（左）分析物结合与光学检测的简化能级图；使用光学荧光检测痕量金属（右）。 b. 比色法量化分析物的示意图（左）；应用比色传感器快速识别有机物种（右）。 c. 依靠电位变化（左）、氧化还原电流密度变化（中）和复合电极阻抗变化（右）的电化学传感模式示意图。 d. 用于空气质量监测的粒子计数装置示意图。 e. 用于温度（左）和气体成分（右）的电阻和电容传感器简化示意图。 f. 利用活细胞系量化环境毒性的生物学方法。

为实现大规模部署，传感器需具备良好的分散性、运动能力、通信和自供电功能。在空气传播方面，受风媒植物种子（如枫树和蒲公英）启发开发的微型飞行器（microfliers），可实现被动扩散与着陆，搭载各类传感器并采用蓝牙、近场通信等技术回传数据。水下则依靠软体机器人、水下滑翔机等设备，利用海流动力实现移动与监测。这些设备通常集成太阳能电池、微生物燃料电池、摩擦纳米发电机等绿色能源技术，确保长期自供电运行。

图3 | 采样与部署策略。 a. 展示危害物释放后扩散至周边环境的假设示意图，及广泛分布的联网传感器跟踪危害演变。 b. 新兴的分散与采样策略示意图。 c. 使用金属氧化物气体传感器的无人机空气质量采样。 d. 太阳能驱动的形状变化折纸微飞行器的释放、下降和着陆过程。 e. 受风散种子启发的3D微飞行器、中飞行器和宏飞行器相关的风速场数值模拟。 f. 可实现风力分散的无电池无线电子飞行器，以及与蒲公英种子的对比。 g. 嵌入比色传感器的3D飞行器在3、10和16周后的生物降解情况。 h. 受植物种子启发的印刷发光飞行器，用于物理传感（插图为温度响应光发光）。 i. 柔性海藻状摩擦纳米发电机（S-TENG）作为波浪能量收集器。 j. 由介电弹性体驱动器驱动的自供能软机器人，用于探索马里亚纳海沟。

尤为重要的是，为实现设备在使用后的无害化处理，可降解电子材料成为研究热点。这类材料包括可在水中逐步水解的金属（如镁、锌、钨）、半导体（如硅、氧化锌）、以及天然或合成高分子（如纤维素、聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA）。它们能在完成监测任务后按预定时间分解，避免对环境造成二次污染，特别适用于难以回收的危险或偏远地区。

图4 | 通信网络与数据处理。 a. 物联网互联的环境监测系统，展示联网传感器及智能手机作为网关连接云服务。 b. 常见通信协议及其有效操作距离。 c. 分布式传感器通过云服务集成信息的框图，支持通过常用用户平台进行分析、可视化与控制。

尽管目前可降解传感器仍以简单的电阻、电容结构为主，但已有研究演示了包括pH、温度、湿度、氮氧化物等在内的多种传感功能，并初步实现了生物可降解电池、超级电容器和能量收集器的集成。未来，还需进一步开发长效封装材料、刺激响应降解机制以及能够支持数据采集与无线通信的全可降解集成电路，从而真正实现完全环境友好的传感网络。

图5 | 生物可吸收环境传感器的设计与材料。 a. 瞬态环境传感平台示意图，突出组装关键组件及其最终水解分解过程。 b-c. 用于封装的绝缘材料溶解模式（b: PLGA; c: PVA）。 d-f. 导电材料的溶解模式（d: Mg; e: Zn; f: W）。 g-i. 生态可吸收化学传感器示例（g: pH传感器; h: 温湿度传感器; i: NO₂气体传感器）。

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来源：板鹭讲科学