导读：

近期，五邑大学韩少波副教授、安徽农业大学叶冬冬教授、合肥工业大学王慧庆副教授等人通过微流控纺丝技术制备了仿生梯度纳米多孔纤维素/碳纳米管气凝胶纤维（GAFs），利用植物根系水传输机制设计实现高效水蒸发和能量采集，可稳定输出电压以驱动可穿戴设备，在自供能柔性电子产品中展现出广阔的应用前景。相关研究以“Biomimetic Gradient Aerogel Fibers for Sustainable Energy Harvesting from Human Sweat via the Hydrovoltaic Effect”为题目，发表在期刊《Nano Energy》上。

本文要点：

1、受植物根系高效水分运输机制的启发，本研究开发了一种微流体纺丝系统，用于连续生产梯度纳米多孔纤维素/CNT气凝胶纤维（GAF）。

2、这些GAFs具有快速输水和高效蒸发的特性，每1cm长的纤维能够持续输出510mV的电压，优于均匀多孔纤维的448mV。

3、此外，GAF在不同的纤维长度、电解质成分、温度、湿度水平和风速下表现出高输出性能（>400mV）。

4、当集成到织物阵列中时，GAF可提供稳定的能量收集，在模拟人体汗液条件下提供4.5V的输出电压和60μA的电流，足以驱动腕表等小型设备。

5、该研究引入了一种仿生纳米结构设计，用于高效的能量收集，推动了柔性可穿戴电子产品的发展。

微流控技术在仿生梯度气凝胶纤维（GAFs）生产中的显著优势主要体现在以下几个方面：

1、精确的梯度结构控制：

微流控纺丝技术利用Y型芯片设计，能够通过调控芯流与鞘流的扩散过程，逐渐形成纤维外部疏松多孔和内部致密微孔的梯度结构。该结构显著提升了水分的径向扩散和轴向运输效率，促进了快速水蒸发与能量采集。

2、多功能材料整合能力：

微流控技术能够通过多相流道控制实现不同材料的空间分布。例如，将纤维素与碳纳米管（CNTs）同时整合形成多功能网络，不仅提高了纤维的水传输能力，还通过CNT的界面效应增强了流动电势输出性能。

3、高效、稳定的生产工艺：

微流控技术采用连续化纺丝工艺，在溶液挤出与成纤过程中通过溶剂扩散和凝胶化反应实现结构的稳定化。与传统纺丝法相比，其更适用于均匀高效地制备具有复杂纳米级梯度的纤维材料。

4、性能可控性强：

通过调整溶液成分（如CNT浓度）、流速比例（如核心流与包壳流的速度比为1:2）以及凝固浴条件，可以灵活调控纤维结构和性能，例如控制孔隙的尺寸和分布，优化水蒸发速率以及电势输出。

5、灵活适应不同设计需求：

微流控纺丝系统既能生产单一的梯度纳米结构纤维，也能通过改进设计（例如螺旋分布或扭曲模式）制造复杂功能纤维，满足多样化的设计需求。

通过以上优势，微流控技术不仅使GAFs具有优异的水传输和电势生成性能，还显著拓展了其在柔性能量采集和可穿戴电子领域的应用前景。

GAFs（梯度气凝胶纤维）主要通过仿生梯度结构和独特的电动力学效应实现高效的水传输和能量收集，其应用领域包括：

1、可穿戴电子设备：GAFs能够在模拟人体汗液的条件下稳定输出电压，适用于为手表等小型电子设备供电，解决传统电池的重量和灵活性问题。

2、医疗监测：由于其轻量化设计和灵活性，GAFs可以集成到医疗监测设备中，实时收集能量，支持健康监测和生理数据采集。

3、运动追踪：在运动装备中，GAFs可以利用运动过程中产生的汗液进行能量来源，为运动追踪器持续供电。

4、环境监测：GAFs的高效能量收集能力使其适合用于环境监测设备，能够在各种气候条件下工作，收集数据并供电。

5、智能纺织品：GAFs可以与其他材料结合，开发具有能量收集和传感功能的智能纺织品，拓展其在智能家居和服装中的应用。

图1.梯度气凝胶纤维（GAFs）的仿生构建。

图2.不同结构气凝胶纤维中水传输行为的评估。

图3.发电装置和机理示意图，包括性能调节。

图4.GAFs的应用。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110759