1.  仿生结构设计与微流控制备策略

图1展示了HAF的仿生设计灵感与制备流程。研究人员模仿玉米茎秆维管束的定向水分运输结构，设计出“芯-壳”异质纤维：芯层为加捻的TEMPO氧化棉纱，用于快速轴向输运液体；壳层为再生纤维素/碳黑（CB）气凝胶，增强机械强度并提升水伏能量转换效率。通过同轴微流控纺丝，壳层溶液均匀包裹芯层，并在凝固浴中形成稳定结构。实验表明，加捻后的芯层使液体传输速度提高1.87倍，单根5 cm纤维可稳定输出0.55 V开路电压超过160小时，展现了优异的水伏性能。

图1 仿生设计与制造异相气凝胶纤维（HAF）。（a）玉米茎维管束中方向性水输运的示意图，作为核心-壳纤维结构的灵感来源。（b）用于HAF制备的同轴微流控旋转过程，采用由扭曲芯诱导的增强水输驱动的水电发电机制。（c）制造的HAF样品照片。（d）扭绞与非扭绞纤维芯线轴向水传输速度的比较。（e）在用再生的纤维素/碳黑（CB）壳层包裹后，增强了水伏输出性能。

2.  结构调控与表面化学改性增强水传输机制

图2揭示了HAF的结构优化与表面化学改性对水传输性能的影响。加捻过程使棉纱内部孔隙减小，毛细吸力增强，水传输速度从0.267 mm/s提升至0.487 mm/s。TEMPO氧化在棉纱表面引入大量羧基，zeta电位从−25.44 mV降至−41.72 mV，增强了固-液界面离子相互作用。SEM图像显示了加捻单丝和双捻纱线的螺旋形貌，BET孔径分布表明加捻后产生了大量~20 nm的纳米孔，有利于双电层重叠，放大流动电势。截面SEM和Raman mapping清晰显示了芯层（棉纱）、中间层（部分溶解棉+纤维素/CB）和外壳（富集CB）的三层结构，X射线CT三维重建进一步证实了CB在纤维表面的均匀分布。这些结构特征为高效水伏能量转换奠定了坚实基础。

图2 HAFs的结构和成分表征。（a）扭绞棉纱线内毛细液力的分析。（b）轴向水流在核心扭转前后进行红外热成像比较。（c）TEMPO氧化前后棉纱线的zeta电位比较。（d）单线棉纱线和双扭纱束的SEM图像。（e）扭转棉芯与非扭芯棉芯孔径分布比较。（f）显示核壳形态的HAF横断面SEM图像（f1），以及用于横断面成分分析的二维拉曼成像示意图，包括对应的拉曼图（f2）和代表性拉曼光谱（f3）。（g）HAF的X射线计算机断层扫描（CT）成像示意图。

3.水伏发电机理及环境响应特性

图3阐释了HAF的水伏发电机理及环境因素对输出的影响。当纤维一端浸入水或电解质中，毛细作用驱动液体沿加捻芯层轴向输运，同时表面蒸发维持连续流动。在纳米孔道内，双电层发生重叠，选择性输运反离子，在干湿区之间形成稳定的电势差（图3a-c）。优化TEMPO氧化时间（10 h）和加捻密度（3.6捻/cm）可获得最佳输出：0.51 V、7.3 µA。纤维长度5 cm时输出最高（0.50 V、8.1 µA）。电解质以单价盐（KCl、NaCl、LiCl）效果最佳。环境测试显示：温度从10°C升至40°C，电压从0.2 V增至0.65 V；相对湿度从22%升至76%，电压从0.6 V降至0.28 V；适度风速（<0.8 m/s）可增强蒸发，但过高风速导致冷却降效。单根纤维在环境条件下可稳定输出0.55 V超过160小时，功率密度达4.5 µW/cm²，展现出优异的耐久性和环境适应性。

图3 HAF中发电的机制和性能。（a）HAF内水电发电过程的示意图。（b）示意图，显示光纤沿线干燥与湿润区域之间建立的电势差。（c）干湿区选择性离子输运与电流生成示意图。（d）棉纱TEMPO氧化持续时间对水伏性能的影响。（e）三种不同HAF配置的电力输出比较。（F–i）纤维长度（f）、电解质类型（g）、环境温度（h）和相对湿度（i）对HAF电学特性的影响。

4.高从GPS定位到户外照明与热管理

图4展示了HAF通过矩阵式串并联集成实现的实际应用。100根纤维串联输出36.1 V，50根并联输出282.4 µA，仅6根串联即可驱动商用计算器。10根串联可在600秒内充满1000 µF电容器。纤维拉伸强度达27–35 MPa，弯曲循环1000次后电阻变化<30%，具备优良的可编织性。研究团队将663根HAF缝制到吸湿排汗织物中，制成自供能衣物：人体运动出汗时，纤维将汗液中的水分蒸发转化为电能，储存在电容器中，驱动GPS设备实现位置追踪（经度117.24660，纬度31.86533）。经20次洗涤循环后，输出电压仍保持初始值的84%。此外，将集成单元嵌入户外帐篷，成功为探照灯和碳纤维加热毯供电，红外热像显示加热片温度从17.3°C升至25.8°C，实现了低温环境下的局部供暖。这些应用充分证明了HAF在柔性可穿戴和户外能源系统中的巨大潜力。

图4 HAF的演示应用。（a）1–100HAF股串联输出电压。（b）输出电流，并联连接1至50股。（c）当十个HAF串联时，具有不同电容的商用电容器之间的电压变化。（d）集成HAF的柔性可穿戴设备示意图（d1）及其集成于服装中以供GPS模块供电（d2）。（e）HAF在20次洗涤后电力输出性能的变化。（f）集成HAF电源单元的示意图。（g）集成单元与帐篷结合，用于户外照明应用。（h）一体化装置为帐篷供电，结合加热织物。（i）碳纤维加热片在（i12）与集成单元运行前后进行红外热成像比较。

本文通过仿生设计，采用微流控纺丝成功制备了具有加捻TEMPO氧化棉芯层和再生纤维素/碳黑气凝胶壳层的异质气凝胶纤维。加捻使液体传输速率提升1.87倍，单根5 cm纤维可稳定输出0.55 V超过160小时，功率密度达4.5 μW/cm²。通过矩阵式串并联集成，HAF可驱动GPS设备、计算器、户外照明和碳纤维加热毯，并耐受20次洗涤循环，为柔性可穿戴和户外自供能系统提供了一种轻质、可持续的液流增强型水伏能源新方案。

受植物维管束高效输水结构启发，首次通过微流控纺丝制备了由加捻TEMPO氧化棉芯层与再生纤维素/碳黑气凝胶壳层组成的异质气凝胶纤维，利用加捻增强毛细输运与表面电荷调控协同作用将液体传输速率提升1.87倍，实现了单根纤维0.55 V稳定输出超过160小时的水伏性能，并通过矩阵式串并联集成成功驱动GPS、照明及电热毯等可穿戴与户外设备，为柔性自供能系统提供了全新的液流增强型纤维平台。