近期，中科院北京纳米能源所王中林院士课题组在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Continuous Preparation of Chitosan-Based Self-Powered Sensing Fibers Recycled from Wasted Materials for Smart Home Applications”的研究成果，报道了一种从废弃虾壳中回收壳聚糖制备纤维基自驱动传感器，达到“可穿戴，实现资源回收”的目的。

本工作提出的壳聚糖基自供电传感纤维为芯-壳结构，原材料是从虾壳中提取的壳聚糖，通过电纺包芯纱技术制备壳聚糖基自供电传感纤维，可以应用于家用电器的传感控制（图1a）。甲壳素是一种类似于纤维素的生物聚合物，是许多低等动物包括节肢动物（如昆虫、甲壳类动物等）外壳的主要成分，日常生活中的大量废弃物中含有甲壳素，可以由甲壳素脱乙酰得到壳聚糖。通过壳聚糖的回收实验（图1b）实现资源的二次利用，减少环境污染。通过图1c-f的分析表征结果发现，从虾壳中可以成功提取壳聚糖。

图1  （a）从废弃物中回收壳聚糖的工艺及性能表征；（b）从虾壳中回收壳聚糖流程图；（c）不同阶段的SEM照片：（i）未经处理的虾壳，（ii）去除钙物质后的虾壳，（iii）几丁质，（iv）壳聚糖；（d）壳聚糖和甲壳素的XRD谱图；（e）壳聚糖和甲壳素的红外光谱图；（f）壳聚糖和甲壳素的TG曲线

图2a为采用静电纺丝包芯纱技术制备壳聚糖基自供电传感纤维流程图。壳聚糖的纺丝溶剂为三氟乙酸：二氯甲烷（TFA:DCM）的混合物，纺丝过程中通过拉动、扭曲纳米纤维网完全覆盖导电芯线。壳聚糖纳米纤维是以一定角度均匀地缠绕在导电纱线周围，形成螺旋纤维束，为紧密包裹的芯-壳结构（图2b-d）。壳聚糖基自供电传感纤维具有超轻、较细、较稳定和强度高等特点（图2e-h）；长度为20 cm的壳聚糖基自供电传感纤维的重量仅为0.023 g，承受200 g的重量不会断裂；同时具有与普通缝纫纱线相同的细度，可穿过纺织针；打过结的壳层仍保持完整（图2h）。

图2  壳聚糖基自供电传感纤维的制备以及性能表征

为了得到性能优异的壳聚糖基自供电传感纤维，通过调整壳聚糖静电纺丝溶液的溶剂以及壳聚糖浓度，比较了不同参数下壳聚糖基自供电传感纤维的表面形貌以及性能，发现当TFA:DCM=7:3、壳聚糖的质量分数为2.5 wt%时，壳聚糖基自供电传感纤维的性能较好（图3a-f）。同时对其电学性能进行了表征，在不同频率下测试壳聚糖基自供电传感纤维（长度5 cm）的电输出性能：VOC为6.4 V，QSC为1.26 nC， ISC为17.4 nA（图3g）；在外部负载电阻为2 GΩ时，电流为9.29 nA，最大功率为342 μW cm-1（图3h）；经过连续2500次接触-分离后，输出信号较为稳定（图3i）。

图3  (a-c)不同浓度的壳聚糖基自供电传感纤维的表面形貌；（d）不同浓度的壳聚糖基自供电传感纤维的应力-应变曲线；（e）壳聚糖基自供电传感纤维工作原理示意图；（f）不同浓度的壳聚糖基自供电传感纤维的开路电压；（g）在壳聚糖的质量分数为2.5%时，不同频率下壳聚糖自供电传感纤维的开路电压；（h）在不同外负载电阻下，壳聚糖基自供电传感光纤的电流和功率密度；（i）壳聚糖基自供电传感纤维的稳定性

如图4a所示，该智能家居控制传感电路由壳聚糖基自供电传感纤维、信号处理电路和智能家用电器组成。信号处理电路包括一个电压比较器，用于将放大的信号转换成稳定的方波信号；以及一个单片机（Arduino UNO），用于接收方波信号并向继电器发送指令，从而控制大功率电器。如图4c（I）所示，当手和壳聚糖基自供电传感纤维之间发生接触分离时，产生电压信号，当电压信号值大于设定阈值时，电压比较器产生“1”信号，如图4c（II）所示。这些信号由微控制器单元调制成“0”或“1”命令，并将“00”或“1”命令传输到继电器，如图4c（III）所示。继电器收到命令后设置为“开”或“关”，相应的设备将接收打开或关闭的信号。命令设置在手和壳聚糖基自供电传感光纤之间第一次接触分离后打开设备。壳聚糖基自供电传感纤维在家用电器控制中可应用于台灯、监视器、风扇和加湿器等（图4d），表明智能光纤在智能家居领域具有更大的应用前景。

图4  壳聚糖基自供电传感纤维在智能家居传感领域的应用

综上所述， 从废弃物（如虾壳）中通过化学处理提取甲壳素，由甲壳素脱乙酰化得到壳聚糖；再经过静电纺丝包芯纱技术制备壳聚糖基自供电传感纤维，该纤维具有柔韧性好、超轻和较细等特点。此外，壳聚糖基自供电传感纤维可用于控制智能家电（如台灯、风扇、显示器、加湿器等），在智能家居传感方面具有巨大的应用潜力。

广西大学硕士研究生李盈盈为本文的第一作者，董凯副研究员和王中林院士为通信作者。