從《圣經(jīng)》舊約到東方大禹，抗洪斗爭(zhēng)貫穿于人類(lèi)文明的發(fā)展歷程。公開(kāi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，洪水災(zāi)害一直是近年來(lái)的主要自然災(zāi)害之一。更糟糕的是，全球變暖導(dǎo)致的溫室效應(yīng)加劇，使全球平均氣溫上升了1.5°C（方案1a，藍(lán)線）。這是過(guò)去四十年來(lái)全球主要洪水?dāng)?shù)量增加約700%的主要原因（方案1a，紅點(diǎn)）。此外，全球城市化的加速導(dǎo)致世界各地越來(lái)越多的地區(qū)面臨更高的洪水風(fēng)險(xiǎn)（方案1b）。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，近年來(lái)，無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，洪水都以廣泛的危險(xiǎn)區(qū)域和嚴(yán)重的影響為特征，造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。例如，2023年9月利比亞德?tīng)柤{的洪水導(dǎo)致11000人死亡，因?yàn)榻涤炅窟h(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了排水系統(tǒng)的預(yù)警限值，而且沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)。同樣，2024年，與颶風(fēng)海倫相關(guān)的強(qiáng)降雨導(dǎo)致河流水位迅速上升，造成了廣泛的財(cái)產(chǎn)損失，美國(guó)迪克西至少236人死亡。

大雨引發(fā)的洪水通常是通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)的天氣預(yù)報(bào)來(lái)預(yù)測(cè)的，但很難確定洪水可能突然形成的區(qū)域。洪水的特點(diǎn)是在低洼地區(qū)演變迅速，路徑不可預(yù)測(cè)，包括地下通道、地鐵站和山腳下的村莊，這些地區(qū)約占洪水災(zāi)害傷亡人數(shù)的70%。早期預(yù)警洪水形成并盡量減少其破壞性影響的必要性促使人們對(duì)建立洪水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究?；谌斯ぱ策壍膫鹘y(tǒng)監(jiān)測(cè)方式受到高成本和可能遺漏的限制。在低洼地區(qū)安裝電纜預(yù)警系統(tǒng)可以為早期洪水預(yù)警提供更高的安全性和準(zhǔn)確性，但除了在洪水事件中可能因漏電而發(fā)生故障外，它們還需要極其昂貴的安裝和維護(hù)。此外，每次洪水泛濫后，電纜預(yù)警系統(tǒng)都需要耗時(shí)耗力的重建。這些缺點(diǎn)使得通過(guò)電纜洪水預(yù)警系統(tǒng)在城市和郊區(qū)的低洼地區(qū)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變得困難。

無(wú)線傳感器已被考慮用于早期洪水報(bào)警，它由傳感元件、信號(hào)發(fā)生器和電池組成。這些傳感器可以對(duì)快速發(fā)展的洪水做出迅速反應(yīng)，并通過(guò)無(wú)線通信將預(yù)警信號(hào)傳輸?shù)娇刂?a target="_blank">中心。相較于電纜供電，由電池供電的傳感器更為經(jīng)濟(jì)，并能適應(yīng)更為復(fù)雜的場(chǎng)合。然而，移動(dòng)電池的使用也面臨著長(zhǎng)期使用過(guò)程中耗盡和水損壞造成的短路問(wèn)題，這嚴(yán)重影響了傳感器對(duì)洪水的有效預(yù)警。因此，基本上需要穩(wěn)定和長(zhǎng)期的能源供應(yīng)來(lái)更換洪水預(yù)警傳感器內(nèi)的電池。風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源曾被視為洪水預(yù)警傳感器的持續(xù)能源。然而，這些設(shè)備強(qiáng)烈依賴(lài)于收集外部能量，并受到尺寸大、穩(wěn)定性差和成本高的限制，這與橋梁和隧道等較小或封閉的城市空間的實(shí)際應(yīng)用要求相反。在此背景下，洪水預(yù)警傳感器預(yù)計(jì)在安全的情況下需要低能耗甚至無(wú)能耗，同時(shí)電力本身能夠應(yīng)對(duì)洪水的發(fā)生，具有廣泛的適應(yīng)性和長(zhǎng)期保證。收集洪水動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)化為電能的方式是開(kāi)發(fā)具有自供電能力的洪水預(yù)警傳感器的競(jìng)爭(zhēng)策略?；谀Σ岭娀驂弘娦?yīng)的傳感器在監(jiān)測(cè)水位變化方面很有吸引力，顯示出洪水能量自供電的一致性?？紤]到摩擦電和壓電發(fā)電機(jī)的有限輸出，激活對(duì)更高能耗有要求的更復(fù)雜的傳感器是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于連續(xù)的長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作提出了一種水觸發(fā)傳感器，該傳感器在干燥條件下不消耗能量，但在有水的情況下激活。

2. 該傳感器由一個(gè)可切換的原電池自供電，該電池由兩個(gè)金屬電極組成，電極之間由載離子干凝膠隔離。當(dāng)電池處于水環(huán)境中時(shí)，干凝膠的快速水合會(huì)引發(fā)兩個(gè)電極之間的氧化還原反應(yīng)，隨后輸出電能，觸發(fā)與信號(hào)生成和傳輸相關(guān)的傳感系統(tǒng)。

3. 為了確保電池在環(huán)境濕度變化下具有足夠的穩(wěn)定性和耐用性，電池采用聚合物涂層密封，該涂層對(duì)水分惰性但可透水。

4. 由于該傳感器可以構(gòu)建在紙基上，因此適用于三浦折紙，這有助于提高輸出功率并減小傳感器尺寸。

圖文解析

圖1. 全球洪水災(zāi)害和早期洪水預(yù)警傳感器。a）過(guò)去40年全球大洪水次數(shù)（紅點(diǎn)）與全球氣溫變化（藍(lán)線）之間的關(guān)系。b過(guò)去幾十年不同地區(qū)可能發(fā)生的洪水的城市化造成的危害指數(shù)。與50年前相比，危險(xiǎn)指數(shù)代表了該地區(qū)在城市化后發(fā)生重大洪水災(zāi)害的可能性。c）自供電早期洪水預(yù)警傳感器示意圖。

圖2. 從絕緣到導(dǎo)電的水觸發(fā)干凝膠的制備。a）基于水凝膠的自供電傳感器的原理示意圖。b）PAAM-Cu水凝膠的制備過(guò)程。c）PAAM-Cu干凝膠的SEM圖像。芯的直徑≈60 μm。d）PAAM-Cu水凝膠的EDS圖像。e）帶有PAAM-Cu干凝膠和綠色LED的電路。f）將電路浸入水中10秒后，使用PAAM-Cu干凝膠和綠色LED。g）不同濃度PAAM-Cu水凝膠的電阻抗譜。h）不同濃度PAAM-Cu水凝膠的電導(dǎo)率。i）在不同濃度的硫酸銅溶液中溶脹時(shí)PAAM-Cu水凝膠與PAAM-Cu干凝膠的質(zhì)量比。

圖3. 紙上水觸發(fā)式原電池的制備和電氣優(yōu)化。a）電池單元的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。b）電池單元的圖片。銅箔和鋅箔的長(zhǎng)度、寬度和高度分別為5.0、10.0和1.0 mm，PAAM-Cu干凝膠的長(zhǎng)度、寬和高度分別是5.0、5.0和2.0 mm。c-e）不同金屬電極長(zhǎng)度（c）、寬度（d）和電極間距（e）對(duì)電池短路電流（SCC，左）和開(kāi)路電壓（OCV，右）的影響。f）電池單元在水中不同溶解時(shí)間的輸出功率（銅箔和鋅箔的長(zhǎng)度、寬度和高度分別為5.0、30.0和1.0 mm，PAAM-Cu干凝膠的長(zhǎng)度、寬和高度分別是5.0、5.0和2.0 mm）。

圖4. 水觸發(fā)電池的材料設(shè)計(jì)結(jié)合了防潮和透水性。a）理想涂層的示意圖可以防止水分通過(guò)（左），但可以溶解在水中（右）。b）用尼羅紅染色后，PVA-0、PVA-74和PVA-99薄膜在水中溶解1分鐘后溶解。比例尺：2.0 cm。c）PVA-74薄膜溶于水的機(jī)理。d）1分鐘后溶解在水中的水和PVA-0、PVA-74和PVA-99薄膜的紫外-可見(jiàn)光譜。e）在高濕度環(huán)境（RH=90%）下連續(xù)處理后PVA-74薄膜與未處理樣品的質(zhì)量比。插圖：PVA-74薄膜在高濕度環(huán)境（RH=90%）下連續(xù)處理后的圖片。比例尺：2.0 cm。f）防潮和滲透性能測(cè)試：I）在濾紙的一側(cè)涂上PVA-74，另一側(cè)寫(xiě)上“RUC”；II）將該濾紙放置在高濕度環(huán)境（RH=90%）的密封箱中；III）將水施加到濾紙的PVA-74涂覆側(cè)。

圖5. 水觸發(fā)電池的集成及其室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。a）靈感來(lái)自三浦折紙的水觸發(fā)電池與蜂鳴器和無(wú)線傳輸?shù)碾p洪水警告相結(jié)合。b）水觸發(fā)電池串聯(lián)和并聯(lián)輸出功率的比較。c）集成水觸發(fā)電池的電流（左）和電壓（右）輸出。d）自供電洪水預(yù)警系統(tǒng)的等效電路。e）與其他自供電洪水預(yù)警傳感器的輸出功率比較。f）集成水觸發(fā)電池的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)演示。比例尺：2.0 cm。g）有PVA-74薄膜涂層和沒(méi)有PVA-74膜涂層的集成水觸發(fā)電池的響應(yīng)時(shí)間比較。

圖6. 戶外洪水場(chǎng)景中自供電洪水預(yù)警傳感器的性能。a）城市洪水發(fā)生時(shí)的照片。這張照片是在中國(guó)開(kāi)封拍攝的。b）城市洪水模擬場(chǎng)景和自供電洪水預(yù)警傳感器設(shè)置。c）晴天時(shí)的自供電洪水預(yù)警傳感器。d）下雨時(shí)的自供電洪水預(yù)警傳感器。e）當(dāng)降雨量增加且水位達(dá)到警戒線時(shí)，自供電洪水預(yù)警傳感器會(huì)發(fā)出蜂鳴聲。f）當(dāng)水位淹沒(méi)警戒線時(shí)，遠(yuǎn)端信號(hào)接收系統(tǒng)的響應(yīng)。g）水位和信號(hào)在整個(gè)過(guò)程中的變化。I）不同天氣條件下的水位和信號(hào)變化。II）過(guò)去一小時(shí)的水位和信號(hào)變化。

來(lái)源：柔性傳感及器件