柔性电子新宠！熵驱动纤维素弹性体，让穿戴设备 “自己发电” 不是梦

一、研究背景

柔性电子技术的快速发展对弹性材料的结构设计和性能调控提出了更高要求，其核心应用涵盖微能源收集器、电子皮肤、可穿戴设备等多个领域。传统弹性体材料面临两大核心瓶颈：一是难以平衡高机电性能与环境可持续性，非降解特性导致电子废弃物问题突出；二是难以同时满足拉伸性、热稳定性、生物相容性与高灵敏度、高信噪比的综合需求，限制了柔性电子设备的长期可靠性与应用场景拓展。

纤维素弹性体凭借生物降解性、可再生性和性能可调性，成为柔性电子材料的理想候选。熵驱动自组装作为优化材料性能的关键途径，可促进有序结构的自发形成，但目前纤维素弹性体自组装有序结构与机械、电学性能之间的构效关系尚未得到充分探索，制约了其在电子器件中的规模化应用。因此，系统厘清熵驱动视角下纤维素弹性体的结构-性能调控机制，对推动其在机械能收集与自供电传感领域的应用具有重要意义。

Fig. 1 Entropy-driven self-assembly of cellulose-based elastomeric materials and their applications in energy harvesting and self-powered sensing

二、综述要点

1. 系统阐明了熵驱动自组装对纤维素弹性体结构设计的核心作用，揭示了熵增机制主导的分子排列、多尺度结构形成规律，建立了熵-焓协同调控的结构设计框架。

2. 全面综述了纤维素弹性体在机械与电学领域的性能优化策略，涵盖机械强度、自修复能力、介电性能的调控路径，聚焦压电、摩擦电、介电弹性体三种机电转换机制的应用。

3. 深入解析了多尺度自组装结构的构效关系，包括Bouligand结构、多尺度层级网络、梯度结构、刺激响应结构等典型构型，及其在性能提升中的特异性作用。

4. 总结了纤维素弹性体在机械能收集、无线传感、人机交互、非接触检测等场景的应用实例，展现了其在柔性电子领域的多元化潜力。

5. 明确了当前研究的核心挑战与未来方向，为熵驱动自组装纤维素弹性体的精准设计与工业化应用提供了全面参考。

Fig. 2 Entropy-driven design and applications of self-assembled cel lulosic elastomers for electromechanical energy conversion and self-powered sensing 

三、主要内容

（一）纤维素弹性体的熵驱动自组装机制

1. 分子结构特征：纤维素由β-1,4-糖苷键连接的葡萄糖单元构成，兼具结晶区（刚性、强极性）与无定形区（柔性、抗冲击），其结晶-无定形平衡、链刚性及氢键网络通过调控构象熵，决定材料的结构有序性与多样性。

Fig. 3 Structural features of cellulose molecules. a Cellulose hierarchical structure. 

2. 熵驱动的核心贡献：熵增是自组装的关键驱动力，通过提升振动熵、转动熵、构象熵等系统总熵，促进分子自发重排形成有序结构。疏水相互作用、离子释放的平移熵增益等是熵驱动的典型机制，如纤维素分子链在溶液中通过熵最大化形成热力学稳定构象。

Fig. 4 Dynamic hydrogen bond/covalent bond-driven cellulose elastomer self-assembly types. 

3. 影响因素：

   - 内部因素：分子尺度（纳米/微米级纤维利于布朗运动与取向熵提升）、结晶度（高结晶度易形成手性结构）、官能团（羟基通过氢键与静电作用调控组装平衡）。

   - 外部因素：温度（适度加热增强组装动力学）、压力（诱导致密有序结构）、溶剂环境（离子强度、极性调控相互作用平衡）。

4. 复合弹性体自组装：纤维素与天然聚合物（海藻酸盐、壳聚糖）或合成聚合物（PVA、PEG、PAM）通过氢键、范德华力、静电作用等非共价相互作用组装，或引入动态键（硼酸键、二硫键）实现熵-焓协同调控，赋予材料结构与功能多样性。

（二）自组装结构的性能调控

1. 典型自组装结构：

   - Bouligand结构：通过纳米纤维素螺旋有序排列形成，兼具高韧性与抗冲击性，采用“熵驱动结构形成+焓驱动结构稳定”的协同组装模式。

   - 多尺度层级网络结构：模拟叶片脉状结构，通过熵驱动纳米级有序排列与焓驱动共价交联构建，平衡强度与柔性。

   - 梯度结构：通过真空干燥、冷冻等过程调控熵演化，形成成分或孔隙率连续变化的结构，缓解应力集中。

   - 刺激响应结构：响应光、pH、温度等外部刺激，通过熵增/熵减过程实现结构动态调整，如UV诱导配位键弱化触发界面粘附变化。

Fig. 5 Structure regulation of self-assembly-driven cellulose elastomer. 

2. 核心性能调控：

   - 机械性能：通过自组装形成的有序结构优化应力分散，结合氢键、动态键增强界面作用，提升材料强度、韧性与拉伸性（部分复合材料拉伸强度达39 MPa，断裂应变超690%）。

   - 自修复性能：基于动态共价键（二硫键、席夫碱键）或非共价键（氢键、金属配位）的可逆重组，实现熵驱动的损伤修复，部分材料可实现100%机械性能恢复。

   - 介电性能：通过分子取向、界面极化调控，平衡介电常数与介电损耗，部分复合材料介电常数达13.0（103 Hz），介电损耗低至0.021。

Fig. 6 Entropy-driven self-assembly regulates the performance of cellulosic elastomers. 

（三）机电转换与应用场景

1. 机电转换机制：

   - 压电发电机（PENG）：利用压电效应将机械形变转化为电能，通过优化压电系数（d??）与应变率提升输出，适用于低频率微能源收集。

Fig. 7 Piezoelectric elastomer generator mechanism. 

   - 摩擦电纳米发电机（TENG）：基于接触起电与静电感应，通过选择高电子亲和性差异的摩擦电对、构建微纳结构提升表面电荷密度，输出性能与介电常数正相关。

Fig. 8 Schematic Illustration of TENG Working Mechanism. 

   - 介电弹性体发电机（DEG）：通过周期性拉伸-释放循环实现能量转换，核心依赖高介电常数、低弹性模量与高击穿强度的平衡，能量密度优于传统PENG与TENG。

Fig. 9 Dielectric elastic generator mechanism. 

2. 主要应用：

   - 机械能收集：将人体运动、水滴冲击、振动等机械能转化为电能，如集成于消防服的LPCP-TENG、可驱动手表的E-TENG。

Fig. 10 Cellulose-based elastomers for mechanical energy harvesting. 

   - 无线运动传感：通过机械形变诱导的电信号变化，实现手势识别、步态监测、生理信号传输，如基于PBTL水凝胶的VR手套、可发送“HELP” Morse码的无线传感器。

of SAS detection using a multifunctional wireless flexible sensing platform. 

   - 智能人机交互：用于机器人关节控制、虚拟游戏操作、舞蹈动作捕捉，如基于离子凝胶的传感手套、自供电舞蹈垫。

Fig. 12 Cellulose-based elastomers for smart human–machine interaction. 

   - 非接触信号传感：通过静电感应、热辐射、电容变化实现人体运动预测、水下目标识别、呼吸监测等，响应距离与灵敏度优于传统传感器。

Fig. 13 Cellulose-based elastomers for non-contact signal sensing. 

四、总结与展望

该综述系统梳理了熵驱动自组装纤维素弹性体的研究进展，明确了熵增机制在结构设计中的核心地位，阐明了多尺度自组装结构与机械、电学性能的构效关系，全面呈现了其在机电转换与自供电传感领域的应用潜力。纤维素弹性体凭借可再生、生物降解的独特优势，以及通过熵驱动自组装实现的性能调控灵活性，成为柔性电子材料的重要发展方向。现有研究已建立较为完善的结构设计与性能优化体系，为其功能化应用奠定了基础。

但仍存在以下挑战：

1. 当前纤维素弹性体面临弹性与机电转换效率的兼容性问题，需进一步优化分子结构与组装工艺，提升电荷分离效率，缩小与PVDF、PZT等传统压电材料的性能差距。

2. 现有制备工艺多依赖实验室级操作，成本高、条件苛刻，需开发低成本、高产量的工业化技术，平衡环境可持续性与经济可行性。

3. 单一模态能量转换效率有限，未来需构建压电-摩擦电-介电弹性体复合的多模态系统，实现对机械、热、太阳能等多源能量的高效收集。

4. 面向柔性电子皮肤、植入式传感器、海洋能量收集等复杂场景，开发兼具高稳定性、生物相容性、环境适应性的新型纤维素弹性体材料。

文献链接：https://doi.org/10.1007/s40820-025-02054-y