在物联网与可穿戴电子设备迅猛发展的今天，实现无需电池、可持续供能的柔性电子系统已成为迫切需求。传统电池不仅体积庞大、频繁更换，还存在安全隐患。相比之下，利用环境中丰富的水汽资源进行能量收集，成为下一代绿色能源供给的理想方案。尽管已有一些基于水汽梯度或蒸发的能量采集装置，但往往需要持续供水或复杂结构。
基于此新加坡国立大学Tan Swee Ching (陈瑞深)/UIUC余存江教授/香港城市大学Sai Kishore Ravi教授从自然现象中汲取灵感，提出一种通过“捕湿-锁水”机制构建的自供能绿色界面，为柔性人机交互系统提供新的可能。本文提出一种基于高吸湿性水凝胶的自供能绿色能量采集与感应平台(SEHSI)。该系统将水汽作为能量来源，通过水凝胶快速吸湿后形成稳定的湿度梯度，并通过高黏度PVA实现“锁水”结构，从而在柔性ITO-PET表面维持稳定电势差，实现持续超过4天的0.32V电压输出。SEHSI不仅能作为稳定的电源，还兼具电容响应行为，实现对温度、湿度与压力的灵敏感应，循环稳定性超过10000次。同时，该系统实现了多种实用场景，包括口罩呼吸监测、无接触手势识别、盲文识别与输出。该研究将“水汽+离子界面”融合于柔性能源-感应平台，为未来无源、可持续的人机交互系统提供新路径。相关成果以Self-powered green energy–harvesting and sensing interfaces based on hygroscopic gel and water-locking effects”为题发表于Science Advances上。论文第一作者为新加坡国立大学博士生郭帅
图1｜Ni水凝胶的结构与吸湿性能
通过NiCl₂·6H₂O与乙醇胺(EA)配位合成Ni水凝胶，形成均匀网络结构。FTIR与NMR证实配位成功，SEM揭示出配位后球状结构分布良好，增强比表面积并提高吸湿能力。在25°C、95% RH下，水凝胶吸水量达4.31 g/g，释放温度低 (<70°C)，并能在数分钟内完成脱附，同时具有优异的循环稳定性。
图2｜从短时间的液滴发电到稳定SEHSI
实验初期在ITO-PET表面滴水可产生~0.2V电压，但因水滴易滚动导致电压消失。改用Ni水凝胶并封装PVA后，成功限制水分流动，同时提升黏度和表面粗糙度，实现稳定湿度梯度，持续输出电压达4天以上。水分分布和界面清晰可见，且装置对比NiCl₂前驱体在吸湿量与稳定性上均有显著提升。
图3｜SEHSI的能量转化机制
KPFM、电化学测试揭示SEHSI本质为电容器行为：水凝胶吸湿后释放阳离子，在与ITO-PET形成电双层(EDL)，建立电位差，进而驱动电流。CV曲线显示吸湿后电容显著增加。系统在多次弯曲、扭转后性能保持稳定，且可串联驱动计算器与LED，实现真实应用。其高柔性、可拓展性使其极具应用前景。
图4｜SEHSI对湿度与温度的响应
SEHSI可对湿度和温度变化产生灵敏电流响应。相对湿度提高→吸湿增加→电导率提升→电容增强→电流升高，温度上升→电导率提升→电容增加→电流升高，系统可稳定工作超10000次冷热循环，并以约200 ms响应时间完成快速感应，性能媲美商业热电偶。基于此，SEHSI成功应用于口罩呼吸状态监测，可区分行走、慢跑和剧烈运动等呼吸频率。
图5｜人机交互应用：无接触识别与盲文显示
构建5×5感应矩阵后，SEHSI可在1.5 cm以上距离感应手指移动，通过热/湿信号描绘轨迹；重构“2025”图案。此外，设计盲文检测系统，通过电流信号转码为0/1，结合MCU与液晶面板，实现盲文输入→英文字符输出，拓展其在辅助设备中的潜力。
本文构建了基于水凝胶与PVA复合的自供能绿色能量采集与感应平台，实现了从水汽能量收集到人机交互感应的完整闭环。该平台具备长时效供能、高灵敏感应、良好柔性与高度集成性，在呼吸监测、盲文识别、无接触感知等场景中展现应用前景，也为构建下一代无需电池的智能交互系统提供了实际解决方案，为推动自供能柔性电子系统发展注入新活力。
文章链接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adw5991
