從《圣經(jīng)》舊約到東方大禹，抗洪斗爭貫穿于人類文明的發(fā)展歷程。公開的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，洪水災(zāi)害一直是近年來的主要自然災(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）。這是過去四十年來全球主要洪水?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)致世界各地越來越多的地區(qū)面臨更高的洪水風(fēng)險（方案1b）。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，近年來，無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，洪水都以廣泛的危險區(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月利比亞德爾納的洪水導(dǎo)致11000人死亡，因?yàn)榻涤炅窟h(yuǎn)遠(yuǎn)超過了排水系統(tǒng)的預(yù)警限值，而且沒有及時發(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，造成了廣泛的財產(chǎn)損失，美國迪克西至少236人死亡。

大雨引發(fā)的洪水通常是通過衛(wèi)星觀測的天氣預(yù)報來預(yù)測的，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，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建立洪水監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究?；谌斯ぱ策壍膫鹘y(tǒng)監(jiān)測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)都需要耗時耗力的重建。這些缺點(diǎn)使得通過電纜洪水預(yù)警系統(tǒng)在城市和郊區(qū)的低洼地區(qū)實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測變得困難。

無線傳感器已被考慮用于早期洪水報警，它由傳感元件、信號發(fā)生器和電池組成。這些傳感器可以對快速發(fā)展的洪水做出迅速反應(yīng)，并通過無線通信將預(yù)警信號傳輸?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)雜的場合。然而，移動電池的使用也面臨著長期使用過程中耗盡和水損壞造成的短路問題，這嚴(yán)重影響了傳感器對洪水的有效預(yù)警。因此，基本上需要穩(wěn)定和長期的能源供應(yīng)來更換洪水預(yù)警傳感器內(nèi)的電池。風(fēng)能和太陽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)計在安全的情況下需要低能耗甚至無能耗，同時電力本身能夠應(yīng)對洪水的發(fā)生，具有廣泛的適應(yīng)性和長期保證。收集洪水動能并將其轉(zhuǎn)化為電能的方式是開發(fā)具有自供電能力的洪水預(yù)警傳感器的競爭策略。基于摩擦電或壓電效應(yīng)的傳感器在監(jiān)測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，激活對更高能耗有要求的更復(fù)雜的傳感器是一項挑戰(zhàn)，特別是對于連續(xù)的長距離信號傳輸。

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. 該傳感器由一個可切換的原電池自供電，該電池由兩個金屬電極組成，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，干凝膠的快速水合會引發(fā)兩個電極之間的氧化還原反應(yīng)，隨后輸出電能，觸發(fā)與信號生成和傳輸相關(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。b）電池單元的圖片。銅箔和鋅箔的長度、寬度和高度分別為5.0、10.0和1.0 mm，PAAM-Cu干凝膠的長度、寬和高度分別是5.0、5.0和2.0 mm。c-e）不同金屬電極長度（c）、寬度（d）和電極間距（e）對電池短路電流（SCC，左）和開路電壓（OCV，右）的影響。f）電池單元在水中不同溶解時間的輸出功率（銅箔和鋅箔的長度、寬度和高度分別為5.0、30.0和1.0 mm，PAAM-Cu干凝膠的長度、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（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）防潮和滲透性能測試：I）在濾紙的一側(cè)涂上PVA-74，另一側(cè)寫上“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)測試。a）靈感來自三浦折紙的水觸發(fā)電池與蜂鳴器和無線傳輸?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薄膜涂層和沒有PVA-74膜涂層的集成水觸發(fā)電池的響應(yīng)時間比較。

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

來源：柔性傳感及器件