東華大學覃小紅、王黎明《自然·通訊》：防水超彈性熱電泡沫，可用于水下人體信號探測！

水下探索在增進我們對海洋生態系統的理解、優化海洋資源管理等方面扮演著關鍵角色。然而，水下環境動態且不可預測，給潛水員帶來了巨大風險。盡管用于實時生理監測的柔性可穿戴傳感器技術取得了進展，但多數設備依賴外部電源，且在高濕度環境下性能與穩定性面臨挑戰。熱電傳感器雖能利用人體廢熱，但其在實際應用場景中的適應性及多維信號監測能力仍有待突破。

近日，東華大學覃小紅教授、王黎明特聘研究員和昆士蘭大學陳志剛教授合作，成功研制出一種基于防水超彈性熱電泡沫（TEPUF）的水下監測裝置。該裝置由涂覆了單壁碳納米管、PEDOT:PSS和水性聚氨酯復合防水導電層的高孔隙率聚氨酯泡沫構成，不僅具備優異的防水性和機械耐久性，還能實現溫度與應變信號的有效解耦，并集成自供電信號傳輸與高效熱濕管理功能，為水下可穿戴電子和人機交互提供了全新思路。相關論文以“A waterproof and ultra-elastic thermoelectric foam for underwater human signal detection”為題，發表在

Nature Communications

研究團隊構建了一個基于分布式傳感器網絡的可穿戴水下監測系統。如圖1所示，該系統通過在身體關鍵部位（如面罩、關節、胸部）部署柔性傳感器節點，協同采集呼吸、體溫和運動信號，形成一個多維度生理感知矩陣。系統的核心是創新的TEPUF傳感器架構，其三維多孔結構在材料設計與結構工程的協同下，實現了信號獨立性、環境魯棒性與穿戴舒適性的統一。通過機器學習算法對多模態信號進行分類、編碼與解碼，并輸入邏輯電路，該系統能對潛水員的生理狀態進行實時評估與預警。性能對比顯示，TEPUF在防水性、透氣性、靈敏度和耐久性等多個關鍵指標上均超越了近期報道的其他可穿戴多功能熱電裝置及先進水下傳感系統。

圖1 用于水下監測系統的多模態信號協同采集與融合決策。 (a) 水下可穿戴監測系統示意圖。 (b) 用于溫度、壓力及刺激解耦的多功能傳感器陣列示意圖（ΔT：溫差；ΔP：壓差）。 (c) 用于生理監測的多模態信號融合與分類示意圖。 (d) 用于信號處理的二進制編碼與邏輯元件設計示意圖。 (e) 本工作與其他可穿戴多功能熱電裝置的性能指標對比。 (f) 本工作與其他水下傳感系統的響應時間及穩定性對比。

TEPUF的出色性能源于其獨特設計。圖2展示了這種材料的卓越特性：它極其輕盈且彈性極高，能在90%壓縮后完全恢復原狀。通過調控水性聚尿酸與導電材料的比例，TEPUF在保持高透氣性的同時，實現了高達112°的接觸角，表現出強疏水性。其熱電傳感能力同樣令人印象深刻，在水下環境仍能保持約35.79 μV K?1的塞貝克系數，溫度分辨率高達0.05 K，響應時間僅為400 ms。經過20,000次壓縮循環后，其塞貝克系數與電阻幾乎不變，展現了非凡的長期耐用性。

圖2 超輕彈性TEPUF（熱電聚氨酯泡沫）的性能與應用研究。 (a) TEPUF的彈性與輕質特性。 (b) 水接觸角隨時間的變化。 (c) 透氣性對比（PUF：聚氨酯泡沫；SWCNTs：單壁碳納米管；PEDOT:PSS；WPU：水性聚氨酯）。 (d) TEPUF在不同濕度水平下塞貝克系數（S）和電阻（R）的相對變化（ΔS：S變化率；S?：初始塞貝克系數；ΔR：R變化率；R?：初始電阻；T?：環境溫度）。 (e) TEPUF的最小溫度響應曲線。 (f) TEPUF的溫度響應時間。 (g) TEPUF在壓縮應變下的響應與恢復時間。 (h) 不同次數壓縮循環后TEPUF的S和R相對變化。 (i) 不同壓縮應變下TEPUF的S和R。所示數據為三次獨立測量的平均值±標準平均誤差（n = 3）。

該裝置最引人注目的突破在于其信號解耦能力。如圖3所示，通過結合塞貝克效應與壓阻效應的物理解耦設計，TEPUF能夠獨立輸出溫度與壓力信號，即使在大變形下也互不干擾。有限元分析模擬清晰地表明，外部壓力變化主要影響泡沫骨架的應力分布，而對熱電電位場的影響微乎其微。這種特性確保了在復雜水下動態環境中，對熱信號和機械信號的精準、獨立感知。

圖3 TEPUF的解耦機制。 (a) 在溫度和壓力同時變化下的響應。 (b) 不同ΔT和壓縮應變下TEPUF電位與應力的有限元分析。 (c) 不同壓縮應變下TEPUF應力的二維有限元分析。 (d) 在ΔT = 12°C、不同壓縮應變下TEPUF電位的二維有限元分析。

基于上述性能，研究團隊開發了一系列應用演示。圖4顯示，集成在潛水面罩內的TEPUF傳感器陣列，能通過分析呼吸氣流的溫度波動，可靠地區分正常呼吸、深呼吸、快速呼吸以及口鼻呼吸模式，并在窒息時發出警報。同時，置于胸部的器件可實現實時體溫監測。此外，將TEPUF制成智能手套，結合支持向量機機器學習模型，能夠以100%的準確率識別復雜的水下手語手勢，極大提升了水下作業人員的交互與通信能力。

圖4 TEPUF用于水下呼吸監測、體溫監測與手勢識別。 (a) 水下溫度傳感機制示意圖。 (b) 使用潛水員佩戴設備進行長期呼吸監測期間V和R的變化。 (c) 靜態條件下V與T（溫度）的關系以及R的變化（ΔT：T變化率）。 (d) 實時T監測及R的變化。 (e) 不同手指彎曲角度下V的變化（ΔV：V變化率；V?：初始電壓）。 (f) 不同手腕彎曲角度下V的變化。 (g) 顯示手指和手腕運動手勢100%識別準確率的混淆矩陣：（I）需要共享氧氣，（II）低氧，（III）耳壓不平衡，（IV）OK，（V）上升，（VI）停止。

最終，如圖5所示，研究團隊構建了一個多模態水下風險預警系統。該系統通過在潛水員的肢體關節和面罩上部署TEPUF傳感器，同步捕捉運動姿態、呼吸模式和體溫變化。采集到的信號經過無線傳輸、二進制編碼和邏輯電路處理后，可實時評估潛水員的生理狀態。例如，系統能準確識別自由泳的規律應變波形、踩水的高頻小幅度振蕩，以及溺水時的不規則劇烈形變，并相應觸發不同級別的預警信號，為潛水員安全提供了至關重要的保障。

圖5 用于生理狀態與緊急情況檢測的多模態水下監測系統。 (a) 自由泳時，(b) 踩水時，以及 (c) 溺水場景下，由腿部和手臂運動引起的R變化。 (d) 呼吸監測。 (e) 體溫監測。 (f) 卡諾圖及相應的物理顯示。 (g) 自由泳示意圖。 (h) 潛水員被海藻纏繞示意圖。

這項研究通過材料、結構與算法的協同設計，成功解決了水下傳感在透氣性、耐水性及動態信號解耦方面的關鍵挑戰。與以往僅關注熱電性能最大化的研究不同，本工作以實用性為先，確保器件在提供足夠熱電功能的同時，直面并克服了實際應用中的障礙。它不僅標志著可穿戴自供電技術從實驗室原型邁向真實海洋環境應用的重要一步，也為未來可靠、實時的水下人機交互開辟了新的視野。