《Sensors and Actuators A: Physical》：Revolutionizing Self-powered Technology of Soft Electronics: The Magnetoelastic Effect Leading the Trend
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软磁致伸缩效应为自供电传感和制氢提供新路径，其材料具备高能量转换效率、环境稳定性和生物相容性，在可穿戴医疗监测、水下触觉感知及可再生能源驱动的制氢中展现独特优势，但仍需突破材料设计、能量密度和规模化应用瓶颈。
史文豪|吴金城|李子军|王燕|顾晨|朱泽奇|孙宁|彭志毅|胡晓光|王龙路
南京邮电大学通信与信息工程学院，中国南京210023
摘要
传统的软电子器件仍然依赖于刚性的外部电源，这限制了它们的变形能力，带来了环境风险，并阻碍了它们向下一代应用的迈进。幸运的是，软磁弹性效应——一种新兴的自供电技术分支——不仅解决了传统自供电技术的局限性，而且比传统的磁弹性系统具有更多优势。这一技术自2019年出现以来，已经发展成为一项变革性技术，在传感和氢气生产等关键领域展现了不可替代的优势。然而，该领域仍缺乏全面的综述来指导进一步的研究和工业转化。本文首先系统地探讨了其基础原理，包括磁弹性效应的发展、材料特性、合成工艺和能量转换机制。随后，分析了其在自供电传感（可穿戴医疗监测、人机交互和水下触觉感知）和氢气生产（由风能、水能和海洋波浪能驱动）中的应用，强调了其在环境适应性、与组织匹配的模量、低阻抗以及高电流方面的独特优势。最后，我们概述了软磁弹性效应当前面临的挑战和未来的发展方向，旨在加速下一代软电子器件的发展，并支持全球碳中和目标的实现。
引言
开发先进的功能材料长期以来一直是推动人类文明进步的关键研究方向。随着工业4.0的推进，软电子材料的发展为航空航天工程、医疗保健、可再生能源、极端环境下的资源勘探等多个领域带来了革命性的变革，使其成为现代材料科学领域中最受重视的成果。然而，传统的软电子设备往往受到对刚性外部电源（如电池）的依赖，这限制了它们的变形能力，增加了维护成本，并带来了环境风险。自供电技术通过从环境刺激中获取能量以实现独立运行，成为解决这些瓶颈的重要方案。在各种自供电机制中，磁弹性技术因其独特的机械灵活性、环境稳定性和高效能量转换能力而受到关注，标志着下一代软电子器件发展的关键转折点。
传统上，磁弹性效应与刚性金属合金相关联，但由于高杨氏模量、对外部磁场的依赖以及狭窄的工作应力范围，其在软电子应用中受到限制。最近在软磁弹性材料方面的突破重新定义了这一领域，开发出了由磁性微/纳米颗粒嵌入弹性聚合物基体中的复合系统。这些复合材料表现出卓越的机械顺应性，与人体组织的模量相匹配，确保了生物相容性和适应性，并具有显著的拉伸性和变形耐受性。其中一个关键进展是发现了这些软系统中的增强磁机械耦合（MC）现象，使得微弱的机械刺激能够高效地转化为可测量的磁通量变化。此外，这些材料具有内在的环境稳定性，包括防水性能（因为磁场不会被水削弱）和在重复机械循环下的长期耐用性。因此，这些特性为磁弹性自供电技术的两个关键应用领域奠定了坚实的基础：自供电传感（用于克服传统传感技术在恶劣或动态环境中的局限性）和自供电氢气生产（利用环境可再生能源生成绿色燃料）。
在自供电传感和氢气生产方面，磁弹性效应不仅在可穿戴医疗监测、人机交互、水下触觉感知以及风能和海洋波浪能等关键应用方向取得了显著进展，还有效拓宽了这两个领域的技术范式。在自供电传感中，软磁弹性复合材料的防水性能和与组织匹配的杨氏模量使得在潮湿、含水或动态变形的环境中能够稳定、高灵敏度地获取信号，突破了传统自供电传感器的环境适应性限制。在自供电氢气生产中，磁弹性发电机（MEGs）将环境机械能通过软磁弹性效应转化为电能，具有低内阻、高电流密度和可扩展的结构设计，从而实现了从多种环境机械能到电能的可靠转换，有效解决了传统压电或摩擦电能量收集系统的输出不稳定问题，促进了绿色氢能在偏远或恶劣环境中的应用。这些独特优势不仅为自供电传感和氢气生产提供了创新的技术解决方案，还为软电子器件与可持续能源的集成开辟了新途径。鉴于材料设计、机制探索和应用开发的快速进展，进行系统综述对于巩固软磁弹性自供电技术的核心原理、明确材料特性与应用性能之间的联系以及展示其在推动下一代软电子器件发展中的变革价值至关重要。
本文系统总结了软磁弹性自供电技术的最新进展，其应用场景的总体框架在图1中清晰展示。首先，详细阐述了软磁弹性效应的基础原理，包括其发展背景、核心特性和材料优势，以及这些复合材料的可扩展合成工艺和能量转换机制，为实际应用奠定了理论基础。在本节中，我们特别关注了磁电材料的高电流特性，并在表1中将这些材料与其他能量收集材料进行了比较。接着，重点讨论了该技术的核心应用领域——自供电传感，深入探讨了其在可穿戴医疗监测、人机交互和水下触觉感知方面的突破，以及如何克服传统传感器的环境适应性和性能限制，扩展了自供电传感在动态和恶劣环境中的应用范围。我们还总结了软磁弹性自供电传感与其他自供电传感器的区别。接下来，讨论了另一个核心应用领域——自供电氢气生产，分析了该技术利用风能、海洋波浪能和水能的能力，将其转化为稳定的电能用于电化学水分解，并解决了传统能量收集设备的输出不稳定问题，促进了绿色氢能在偏远或恶劣环境中的应用。我们分别在表3和表4中总结了这两个应用领域的核心性能特性。最后，提出了对软磁弹性自供电技术当前挑战和未来研究方向的批判性观点，为实现全球碳中和目标和可持续传感系统的发展提供了宝贵的指导。
章节片段
发展背景、特性和优势
磁弹性自供电技术的概念源于对刚性合金（如Terfenol-D和Galfenol）中磁弹性效应的研究。1865年，Villari首次观察到了这一效应，因此也被称为Villari效应。然而，由于刚性材料的高弹性模量、对外部磁场的依赖以及狭窄的工作应力范围，传统的磁弹性效应难以适应软电子应用。
结论与展望
在柔性电子快速发展和全球可持续能源转型的背景下，自供电技术已成为打破传统软电子设备对刚性外部电源依赖的核心需求，促进了分散式能源系统的实际应用。作为自供电技术的一个新兴分支，软磁弹性自供电技术正从传统的刚性磁弹性合金系统向软复合材料发展。
作者贡献声明
王龙路：撰写 – 审稿与编辑。
胡晓光：撰写 – 审稿与编辑。
王燕：研究。
李子军：研究。
吴金城：研究。
史文豪：撰写 – 原稿。
彭志毅：研究。
孙宁：研究。
朱泽奇：研究。
顾晨：研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号22202065、22479079）、江苏省自然科学基金（BK20201381、BK20240611）、南京邮电大学科学基金（NY219144、NY221046、NY223193）以及国家大学生创新与创业培训计划（202310293010Z）的支持。
王龙路于2017年获得湖南大学博士学位，目前任职于南京邮电大学。他担任30多种期刊的审稿人，发表了200多篇科学论文，总引用次数超过13,000次，H指数为66。他目前的研究兴趣是二维能源材料和器件。
