摘要：汗液监测作为一种非侵入性、多维度的生理标志物分析技术，正在重塑疾病诊断与健康管理的范式，并推动柔性电子与个性化医疗的发展。摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新兴的能量收集装置，能够将机械能转化为电能，并已用于汗液传感。然而，汗液固有的低分泌速率和快速蒸发特性，

汗液监测作为一种非侵入性、多维度的生理标志物分析技术，正在重塑疾病诊断与健康管理的范式，并推动柔性电子与个性化医疗的发展。摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新兴的能量收集装置，能够将机械能转化为电能，并已用于汗液传感。然而，汗液固有的低分泌速率和快速蒸发特性，严重制约了其高效收集与快速分析，成为实现高精度、高可靠性汗液监测的关键挑战。

为此，广西大学聂双喜教授、王利军副研究员、罗斌助理教授团队受蝉翼结构启发，利用激光切割与水界面自组装策略，开发出一种具有异质润湿性的摩擦电材料（HWTM）。该材料通过润湿性梯度与拉普拉斯压力差的协同作用，实现了汗液从边缘向中心的高效定向收集与富集，显著提升了传感器信噪比（SNR）至51 dB，优于当前多数汗液传感技术。研究还集成离子选择膜与无线传输模块，实现了对汗液中多种盐离子的选择性识别与实时无线监测，为基于流体传输机制的汗液传感器设计提供了新思路。相关论文以“Bioinspired Heterogeneous Wettability Triboelectric Sensors for Sweat Collection and Monitoring”为题，发表在

研究团队从蝉翼的结构中汲取灵感（图1a），其翅脉区域亲水、翅膜区域超疏水，这种异质润湿性协同作用使蝉在潮湿环境中仍能自如飞行。仿照这一结构，他们以天然亲水的纤维素为基础，构建了HWTM（图1b），并进一步集成为可穿戴汗液传感器。该传感器能够在汗液湿润后输出电压从85 V提升至173 V（图1c），信噪比显著提高至51 dB（图1d），优于多数现有汗液与运动传感器（图1e）。

图1. 仿生HWTM传感器 a) 蝉翼的结构特征与表面润湿性照片； b) HWTM与传感器的结构示意图； c) 传感器的信号曲线； d) 传感器的信噪比； e) 传感器信噪比对比。

图2展示了HWTM的激光制备过程。通过高能激光照射覆盖氟化SiO₂的纤维素液面，瞬间蒸发水分形成精确的切割边界（图2b–c），并通过溶液回流与再融合形成定制化的异质图案（图2d–g）。该材料在机械性能测试中表现出优异的界面结合强度（图2h），综合性能优于以往报道的异质润湿材料（图2i）。

图2. HWTM的激光制备 a) 激光切割构建HWTM的示意图，插图为材料的水接触角； b) 激光切割分离溶液的示意图； c) 激光切割过程中液体的可视化模拟； d) 溶液再融合示意图； e–f) 溶液再融合照片； g) 溶液再融合能量与液体体积的相图，“O”表示可再融合，“×”表示不可再融合； h) HWTM的力学性能； i) HWTM的综合性能对比。

材料的表征结果（图3）显示，HWTM具有清晰的亲疏水边界，SiO₂与MXene分别作为疏水与亲水组分有效负载于纤维素基底上（图3a–b）。分子模拟表明SiO₂与纤维素主要通过非共价作用嵌入（图3c），而MXene则通过氢键与纤维素形成稳定网络结构（图3d–f），显著增强材料力学性能（图3g）。

图3. HWTM的表征 a) HWTM表面结构示意图； b) 材料的SEM与EDS分析； c) 纤维素与SiO₂分子的静电势模拟； d–e) 材料的同步与异步光谱； f) 纤维素与MXene的分子结构； g) MXene含量对材料力学性能的影响。

在液滴传输行为研究中（图4），HWTM通过楔形结构设计实现两阶段驱动：润湿性梯度使液滴从疏水区向亲水区迁移，拉普拉斯压力差则进一步推动液滴向中心富集（图4a–c）。相较于矩形结构，楔形图案显著提升了传输速率与收集效率（图4d–e），可在25秒内快速吸收皮肤表面的汗液（图4f）。

图4. HWTM的液体传输行为 a) 材料的液体收集与传输示意图； b) 不同润湿性图案的液滴收集能力对比； c) 图案形状产生的拉普拉斯压力促进液滴运动； d) 三角形与矩形图案上液滴传输过程的照片对比； e) 楔形与矩形图案上液滴传输过程的可视化模拟； f) HWTM在皮肤上吸收汗液的照片。

传感器以HWTM作为正摩擦层，FEP薄膜为负摩擦层，采用接触-分离模式工作（图5a），响应与恢复时间分别为80 ms和70 ms（图5b），输出功率密度可达1.1 W/m²（图5c），并在5000次循环后仍保持稳定输出（图5d–e）。汗液中盐离子的富集进一步提升了输出信号（图5f），离子选择膜则实现了对Na⁺、K⁺、Ca²⁺的高选择性识别（图5g–i），屏蔽了乳酸、尿素等有机物的干扰。

图5. 传感器的传感性能 a) 传感器的工作原理与相应输出； b) 传感器的响应时间； c) 传感器的功率密度； d) 传感器的稳定性； e) 频率对输出的影响； f) 盐浓度对输出性能的影响； g) 离子选择膜在盐溶液中筛选离子的示意图； h) 不同金属离子穿透离子选择膜的示意图； i) 传感器对不同盐离子的灵敏度。

最终，团队将传感器集成于轻量化（8.67 g）的可穿戴贴片中（图6a–c），实现在羽毛球运动中的实时汗液盐离子监测（图6d–e）。传感器贴附于前臂、上臂和踝部等不同部位时，均可准确响应运动状态（图6f），展现出在慢病管理、运动健康与远程医疗等领域的应用前景（图6g）。

图6. 可穿戴汗液传感器 a) 具有无线传感能力的可穿戴传感器，插图为传感器照片； b) 传感器拆解结构示意图； c) 传感器照片，插图为顶视图与底视图； d) 盐离子浓度对传感器输出的影响； e) 传感器的实时输出曲线； f) 传感器贴附于不同部位时的输出，插图为相应照片； g) 可穿戴汗液传感器的应用前景。

该项研究不仅提供了一种高效、稳定的汗液收集与传感平台，更通过仿生设计与界面工程策略，为未来开发多功能液体控制平台和智能可穿戴健康设备奠定了坚实基础。通过进一步优化材料组成与结构图案，有望实现更多反直觉的液体行为与创新应用。

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来源：科学减脂