湿度传感器在可穿戴设备、健康监测、智能控制等领域具有广泛的应用前景，越来越受到人们的关注。然而，传统的湿度传感器丢弃后容易产生各种有毒物质，污染环境，使用过程中容易损坏，从而缩短了传感器的使用寿命。因此设计一种实现湿度传感的功能同时兼具自修复和可降解特性的传感器是必要的。

近日，福建理工大学翁明岑副教授、闽江学院陈华民副教授和北京理工大学沈国震教授合作在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Self-powered and degradable humidity sensors based on silk nanofibers and its wearable and human–machine interaction applications”。研究者通过基于“自上而下”方法制备的蚕丝纳米纤维（SNF）薄膜为衬底，铜/铝作为电极材料，氯化钙作为电解液构建了自供电湿度传感器。该传感器能在损坏后通过水分子修复，且能在碱性溶液中快速降解，减少了电子废物对环境的影响。所设计的自供电湿度传感器可应用于可穿戴式自供电腕带、无线监测系统和非接触式人机交互系统。该研究将为自供电湿度传感器的设计开辟一条新途径，在可穿戴电子和人机界面应用方面具有重要的指导意义。

图1: SNF薄膜的制备与表征。

如图1所示，团队采用CaCl2/EtOH/H2O水的混合溶液溶解蚕丝纤维制备SNF，从蚕丝纤维上剥离下来的SNF，既保留了蚕丝纤维在微观尺度上的微观结构，又保留了蚕丝纤维的力学性能。改SNF薄膜具有优异的亲水性和吸水能力（图1i-j），这些特性使其成为理想的湿度传感器的衬底材料。

图2: 自供电式湿度传感器的湿度传感性能。

图2描述了展示了由铜/铝（Cu/Al）电极和蚕丝纳米纤维（SNF）薄膜构成的自供电湿度传感器在环境湿度的刺激下能够自发产生电压，区分不同的湿度（图2b）。自供电湿度传感器在10个周期内的平均电压响应值和标准差分别为314 mV和21 mV，表明自供电湿度传感器具有良好的重复性（图2g）。此外，如图2h所示，自供电湿度传感器在高湿度(90% RH)下具有良好的稳定性。

图3: 修复后的湿度传感器的湿度传感性能。

图3展示了修复后的湿度传感器的性能，包括其修复机制、不同湿度下的电压响应、输出电压和电流随负载电阻变化的关系、稳定性测试，以及SNF膜的可降解性。结果表明，修复后的传感器在30%至90%的相对湿度范围内具有非线性响应，并在半对数坐标系统中显示出良好的线性关系。此外，修复后的传感器在高湿度条件下表现出稳定性，并且SNF膜能够在碱性溶液中快速降解，证明了该传感器在环保和自修复的特性。

图4: 可穿戴的自供电腕带。

图5: 基于自供电湿度传感器的尿布无线监测系统。

图6: 基于自供电湿度传感器的无线呼吸暂停监测系统。

图7: 自供电湿度传感器的人机交互应用。

此外，图4-7集中展示了SNF自供电湿度传感器的多样化应用，包括作为可穿戴设备的能量来源、婴儿尿布的无线湿度监测、呼吸频率的实时监测以及非接触式人机交互系统。这些应用证明了传感器在监测人体生理信号、提供健康监护以及增强人机交互体验方面的实用性和创新性，突显了其在可穿戴电子和健康监测领域的广泛应用潜力。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154443