洪水，自人類文明伊始，便是生存發展的最大挑戰之一。從《圣經》的諾亞方舟到中國的大禹治水，洪水治理貫穿于人類歷史長河。進入現代社會，洪災依然是最主要的自然災害之一。數據顯示，過去 40年間，全球氣溫上升約1.5°C，引發的極端天氣事件使得重大洪水發生頻次上升約700%。城市化的迅猛推進更是顯著擴大了洪水的影響范圍，無論是發達國家還是發展中地區，皆面臨嚴峻的洪水風險與巨大損失。例如，2023年利比亞德爾納遭遇暴雨洪災致1.1萬余人遇難；2024年“海倫”風暴引發的德州洪水亦導致逾200人死亡。

然而，洪水尤其在低洼區域的突發性與不可預測性，使其預警成為全球科研界亟待突破的難題。目前，傳統的監測方式（如人工巡查或有線預警系統）在成本、穩定性和重建效率方面均存在顯著限制。近年來，盡管無線傳感技術因其部署靈活、成本低等優勢受到關注，但普遍依賴電池供能，難以適應洪水環境中“遇水失效”與“長期續航不足”的雙重挑戰。因此，發展具備穩定性、可自啟動、環境適應強的低成本供能方案，成為提升洪水預警系統可靠性與普適性的關鍵方向。

針對這一核心難題，中國人民大學王亞培教授團隊在《Advanced Science》期刊發表研究成果，提出一種新型水觸發型自供電洪水預警傳感器（A water-triggered sensor for self-powered flood alarming），在技術路徑與工程實現層面實現突破。該器件基于開關式原電池原理設計：通過紙基電極與干態離子凝膠構建低成本柔性電池單元，常態下處于“零能耗”待命狀態，當環境水分迅速滲透封裝膜時，離子凝膠吸水膨脹啟動氧化還原反應，從而激活電池并驅動后端傳感與無線信號模塊。

為確保器件在復雜氣候條件下的長期穩定運行，團隊引入對濕度不敏感的聚合物封裝膜。這層膜既防止凝膠在空氣中提前吸水，又允許真正的洪水滲透激活電池，提升預警精度。此外，器件結構采用三浦折紙式構型設計，在最小化空間占用的同時大幅提升單位面積功率輸出，實現了高性能、可集成的戶外洪水預警功能。實地模擬洪水實驗進一步驗證，該器件可實時響應突發洪水事件，并實現本地與遠程同步報警，為未來城市級智能預警網絡的部署提供堅實技術基礎。

該成果不僅在器件設計、材料集成與系統響應等層面展示了系統性創新，也為低成本、環境友好型防災減災電子系統的構建提供了重要范式。所采用的材料體系包括紙基底材、水凝膠與硫酸銅， 具有良好的生態兼容性，符合綠色電子的發展趨勢。該研究為全球應對洪水災害提供了更具可持續性的技術支撐，也為建設智慧城市與提升社會韌性開辟了新路徑。

圖 1. 近年來天氣變暖導致的洪水災害愈發嚴重，對自供電水災預警器件有重要需求。

圖2. 負載電解質的離子干凝膠制備與基本表征

圖3. 水觸發原電池器件的結構設計與電學性質優化

圖4. 分子內氫鍵幫助PVA薄膜兼具防潮與透水功能。

圖 5 具有高功率輸出的集成水觸發電池

圖6 在模擬洪水場景中，該設備成功實現了“濕度不啟動——遇水啟動—自主供電—信號報警”的一體化運行流程，預警信息可實時傳輸至遠程監控中心 。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202503815

來源：高分子科學前沿

聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！