通过喷涂制备的二维异质结构实现的多功能能量自供给纺织传感器

能自我供电的智能服装

想象一件T恤，能够在不需电池的情况下静静地监测你的体温、周围湿度，甚至呼气中与疾病相关的化学物质。本文描述了朝着真正智能服装迈出的一步：织物既能从你的运动中产生电能，又能用这些能量监测健康和环境。

将织物转变为活性材料

研究人员首先用超薄的碳和金属化合物“片层”把普通涤纶织物转化为电子材料，这些片层分散在水–醇混合溶剂中。采用超声喷涂——类似于精细油漆的气刷工艺——在纤维上沉积微观的多层石墨烯（高导电性的碳材料）和过渡金属二硫化物（如二硫化钼）层。这些溶液像电子染料一样均匀覆盖每根纤维，同时保持织物的柔软、可弯曲与透气性。通过将这些涂层按受控方式叠加成异质结构，他们将被动的布料转变为在受触碰或受压时能移动电荷的结构化表面。

从简单运动中收集能量

经喷涂处理的织物被制成一个称为摩擦电纳米发电机的小型装置，该装置能够通过两种不同表面间的接触与分离产生电能。在此设计中，喷涂的纺织层作为一侧，第二块带有铜和塑料膜的织物构成另一侧。当两块材料在行走、呼吸或轻拍时相互碰触和分离，石墨烯层中就会产生电荷流动。在测试的几种金属化合物中，使用二硫化钼的版本表现突出，能产生约60伏的电压，并在此类纺织器件中实现创纪录的功率密度，而整个器件重量约为一克。输出在数月使用和反复弯曲后仍保持高度稳定，表明织物可承受日常穿着的机械应力。

一块织物，多种传感能力

不同于许多只跟踪单一信号的可穿戴设备，该织物被设计为能同时感知多种信息，全都使用来自敲击的同一基本电输出。织物周围湿度的变化会微妙地改变水分子在二硫化钼表面的吸附方式，进而影响电压脉冲的幅度与时序。团队表明，该织物能在典型室内范围内检测到小而可逆的湿度变化。他们还将器件暴露于人类呼气和污染空气中常见的不同蒸气——包括醇类、丙酮、庚烷、甲苯和苯乙烯——并发现每种化学物质都会留下独特的电学“指纹”。尤其是与糖尿病和帕金森等病症相关的丙酮和苯乙烯，对输出影响显著，使织物能作为自供能的电子嗅觉器件。

聚焦病相关蒸气与体温

作者特别关注苯乙烯，这是一种危险的工业化合物，也是被提出作为帕金森病呼气生物标志物的物质。通过在二硫化钼层上装饰微小的聚噻吩粒子（此前已证明在苯乙烯存在时会表现出响应），他们显著放大了对该蒸气的电响应。由此得到的织物在暴露于苯乙烯时电流变化异常显著，性能优于早期需要外部光源或高功耗电子设备的实验室传感器。相同的纺织平台对接近皮肤正常值的小幅温度变化也具有高灵敏度。当将其作为小贴片安装并通过简单微控制器与柔性光带读取时，温暖皮肤上的一次轻拍就能触发可见警示，提示未来可为婴幼儿或老年护理开发通过轻触即可标记发热的衣物。

对日常生活的意义

简而言之，这项研究表明，可以通过可扩展的水基工艺将发电与多功能传感直接“织入”到常见织物中。单一轻量的纺织贴片可以从普通运动中收集能量，并将湿度、温度和特定空气中化学物质的微小变化转换为可读的电信号，且无需电池。尽管要将实验室原型转向可洗、可大规模生产的服装还需更多工作，但这一方法为制造能够持续监护我们健康与环境且在触感与外观上与现有衣物相近的智能服装开辟了现实路径。

引用: Kovalska, E., Routledge, J., Cancelliere, R. et al. Multifunctional, energy-autonomous textile sensors enabled by spray-coated two-dimensional heterostructures. npj Flex Electron 10, 49 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00539-3

关键词: 自供能可穿戴传感器, 智能纺织品, 摩擦电纳发电机, 石墨烯与MoS2, 呼吸与温度监测