中国人民大学，清华大学：研究用于自供电洪水报警的水触发传感器

从《圣经》旧约到东方大禹，抗洪斗争贯穿于人类文明的发展历程。公开的统计数据表明，洪水灾害一直是近年来的主要自然灾害之一。更糟糕的是，全球变暖导致的温室效应加剧，使全球平均气温上升了1.5°C（方案1a，蓝线）。这是过去四十年来全球主要洪水数量增加约700%的主要原因（方案1a，红点）。此外，全球城市化的加速导致世界各地越来越多的地区面临更高的洪水风险（方案1b）。统计数据表明，近年来，无论是发达国家还是发展中国家，洪水都以广泛的危险区域和严重的影响为特征，造成了重大的人员伤亡和经济损失。例如，2023年9月利比亚德尔纳的洪水导致11000人死亡，因为降雨量远远超过了排水系统的预警限值，而且没有及时发现。同样，2024年，与飓风海伦相关的强降雨导致河流水位迅速上升，造成了广泛的财产损失，美国迪克西至少236人死亡。

大雨引发的洪水通常是通过卫星观测的天气预报来预测的，但很难确定洪水可能突然形成的区域。洪水的特点是在低洼地区演变迅速，路径不可预测，包括地下通道、地铁站和山脚下的村庄，这些地区约占洪水灾害伤亡人数的70%。早期预警洪水形成并尽量减少其破坏性影响的必要性促使人们对建立洪水监测系统进行了深入研究。基于人工巡逻的传统监测方式受到高成本和可能遗漏的限制。在低洼地区安装电缆预警系统可以为早期洪水预警提供更高的安全性和准确性，但除了在洪水事件中可能因漏电而发生故障外，它们还需要极其昂贵的安装和维护。此外，每次洪水泛滥后，电缆预警系统都需要耗时耗力的重建。这些缺点使得通过电缆洪水预警系统在城市和郊区的低洼地区实现实时监测变得困难。

无线传感器已被考虑用于早期洪水报警，它由传感元件、信号发生器和电池组成。这些传感器可以对快速发展的洪水做出迅速反应，并通过无线通信将预警信号传输到控制中心。相较于电缆供电，由电池供电的传感器更为经济，并能适应更为复杂的场合。然而，移动电池的使用也面临着长期使用过程中耗尽和水损坏造成的短路问题，这严重影响了传感器对洪水的有效预警。因此，基本上需要稳定和长期的能源供应来更换洪水预警传感器内的电池。风能和太阳能等可再生能源曾被视为洪水预警传感器的持续能源。然而，这些设备强烈依赖于收集外部能量，并受到尺寸大、稳定性差和成本高的限制，这与桥梁和隧道等较小或封闭的城市空间的实际应用要求相反。在此背景下，洪水预警传感器预计在安全的情况下需要低能耗甚至无能耗，同时电力本身能够应对洪水的发生，具有广泛的适应性和长期保证。收集洪水动能并将其转化为电能的方式是开发具有自供电能力的洪水预警传感器的竞争策略。基于摩擦电或压电效应的传感器在监测水位变化方面很有吸引力，显示出洪水能量自供电的一致性。考虑到摩擦电和压电发电机的有限输出，激活对更高能耗有要求的更复杂的传感器是一项挑战，特别是对于连续的长距离信号传输。

本文亮点

1. 本工作提出了一种水触发传感器，该传感器在干燥条件下不消耗能量，但在有水的情况下激活。

2. 该传感器由一个可切换的原电池自供电，该电池由两个金属电极组成，电极之间由载离子干凝胶隔离。当电池处于水环境中时，干凝胶的快速水合会引发两个电极之间的氧化还原反应，随后输出电能，触发与信号生成和传输相关的传感系统。

3. 为了确保电池在环境湿度变化下具有足够的稳定性和耐用性，电池采用聚合物涂层密封，该涂层对水分惰性但可透水。

4. 由于该传感器可以构建在纸基上，因此适用于三浦折纸，这有助于提高输出功率并减小传感器尺寸。

图文解析

图1. 全球洪水灾害和早期洪水预警传感器。a）过去40年全球大洪水次数（红点）与全球气温变化（蓝线）之间的关系。b过去几十年不同地区可能发生的洪水的城市化造成的危害指数。与50年前相比，危险指数代表了该地区在城市化后发生重大洪水灾害的可能性。c）自供电早期洪水预警传感器示意图。

图2. 从绝缘到导电的水触发干凝胶的制备。a）基于水凝胶的自供电传感器的原理示意图。b）PAAM-Cu水凝胶的制备过程。c）PAAM-Cu干凝胶的SEM图像。芯的直径≈60 µm。d）PAAM-Cu水凝胶的EDS图像。e）带有PAAM-Cu干凝胶和绿色LED的电路。f）将电路浸入水中10秒后，使用PAAM-Cu干凝胶和绿色LED。g）不同浓度PAAM-Cu水凝胶的电阻抗谱。h）不同浓度PAAM-Cu水凝胶的电导率。i）在不同浓度的硫酸铜溶液中溶胀时PAAM-Cu水凝胶与PAAM-Cu干凝胶的质量比。

图3. 纸上水触发式原电池的制备和电气优化。a）电池单元的多层结构设计。b）电池单元的图片。铜箔和锌箔的长度、宽度和高度分别为5.0、10.0和1.0 mm，PAAM-Cu干凝胶的长度、宽和高度分别是5.0、5.0和2.0 mm。c-e）不同金属电极长度（c）、宽度（d）和电极间距（e）对电池短路电流（SCC，左）和开路电压（OCV，右）的影响。f）电池单元在水中不同溶解时间的输出功率（铜箔和锌箔的长度、宽度和高度分别为5.0、30.0和1.0 mm，PAAM-Cu干凝胶的长度、宽和高度分别是5.0、5.0和2.0 mm）。

图4. 水触发电池的材料设计结合了防潮和透水性。a）理想涂层的示意图可以防止水分通过（左），但可以溶解在水中（右）。b）用尼罗红染色后，PVA-0、PVA-74和PVA-99薄膜在水中溶解1分钟后溶解。比例尺：2.0 cm。c）PVA-74薄膜溶于水的机理。d）1分钟后溶解在水中的水和PVA-0、PVA-74和PVA-99薄膜的紫外-可见光谱。e）在高湿度环境（RH=90%）下连续处理后PVA-74薄膜与未处理样品的质量比。插图：PVA-74薄膜在高湿度环境（RH=90%）下连续处理后的图片。比例尺：2.0 cm。f）防潮和渗透性能测试：I）在滤纸的一侧涂上PVA-74，另一侧写上“RUC”；II）将该滤纸放置在高湿度环境（RH=90%）的密封箱中；III）将水施加到滤纸的PVA-74涂覆侧。

图5. 水触发电池的集成及其室内实验测试。a）灵感来自三浦折纸的水触发电池与蜂鸣器和无线传输的双洪水警告相结合。b）水触发电池串联和并联输出功率的比较。c）集成水触发电池的电流（左）和电压（右）输出。d）自供电洪水预警系统的等效电路。e）与其他自供电洪水预警传感器的输出功率比较。f）集成水触发电池的室内实验演示。比例尺：2.0 cm。g）有PVA-74薄膜涂层和没有PVA-74膜涂层的集成水触发电池的响应时间比较。

图6. 户外洪水场景中自供电洪水预警传感器的性能。a）城市洪水发生时的照片。这张照片是在中国开封拍摄的。b）城市洪水模拟场景和自供电洪水预警传感器设置。c）晴天时的自供电洪水预警传感器。d）下雨时的自供电洪水预警传感器。e）当降雨量增加且水位达到警戒线时，自供电洪水预警传感器会发出蜂鸣声。f）当水位淹没警戒线时，远端信号接收系统的响应。g）水位和信号在整个过程中的变化。I）不同天气条件下的水位和信号变化。II）过去一小时的水位和信号变化。

来源：柔性传感及器件