研究背景

數(shù)百萬(wàn)年的自然選擇進(jìn)化，讓眾多生物形成了能精準(zhǔn)檢測(cè)環(huán)境變化的獨(dú)特傳感系統(tǒng)。以人類(lèi)為例，其五大感官（視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)）通過(guò)專(zhuān)門(mén)器官和受體，可將光、壓力、振動(dòng)等外部刺激轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào)，具備高適應(yīng)性和靈敏度等優(yōu)異特性。受此啟發(fā)，人工傳感器領(lǐng)域發(fā)展迅速，但傳統(tǒng)傳感器采用剛性電子基材料，無(wú)法變形，難以適配不規(guī)則表面，且無(wú)法復(fù)刻生物傳感系統(tǒng)的信號(hào)傳輸原理。為此，兼具柔韌性、拉伸性和離子導(dǎo)電性的柔性離子材料應(yīng)運(yùn)而生，為仿生傳感器的研發(fā)提供了關(guān)鍵支撐，不過(guò)目前該類(lèi)傳感器仍面臨性能標(biāo)準(zhǔn)化、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性等諸多待解難題。

研究亮點(diǎn)

1.構(gòu)建了全面的分類(lèi)框架，將傳感器按視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)和接近傳感六大類(lèi)展開(kāi)，系統(tǒng)梳理了每類(lèi)傳感器的自然靈感來(lái)源、工作機(jī)制及人工實(shí)現(xiàn)方式。

2.深入剖析柔性離子材料的核心優(yōu)勢(shì)，包括拉伸性、柔韌性、透光性、離子導(dǎo)電性等，且闡述了其如何助力傳感器復(fù)刻生物傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵功能。

3.整合了多類(lèi)生物的獨(dú)特傳感特性，既涵蓋人類(lèi)五大感官，也包括鰩魚(yú)、鯊魚(yú)的接近傳感、螞蟻觸角的多功能傳感等，為傳感器設(shè)計(jì)提供了豐富的自然靈感。

4.基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，明確了不同傳感器的核心性能參數(shù)（如響應(yīng)時(shí)間、靈敏度、檢測(cè)范圍等），并通過(guò)對(duì)比分析，凸顯了柔性離子傳感器的性能優(yōu)勢(shì)。

5.針對(duì)性指出當(dāng)前研究面臨的四大核心挑戰(zhàn)，并從水生環(huán)境傳感、植入式生物降解性、機(jī)械可持續(xù)性、電化學(xué)穩(wěn)定性四個(gè)維度，提出切實(shí)可行的未來(lái)研究方向

研究?jī)?nèi)容

1. 核心基礎(chǔ)與材料特性：

自然傳感系統(tǒng)的啟發(fā)：自然生物的傳感系統(tǒng)是傳感器設(shè)計(jì)的核心靈感來(lái)源。人類(lèi)的五大感官器官（眼、耳、皮膚、舌、鼻）通過(guò)專(zhuān)屬受體實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，而鰩魚(yú)、鯊魚(yú)的電感受器、螞蟻的觸角、駱駝的鼻腔結(jié)構(gòu)、荷葉的疏水表面等生物特性，為多功能、高性能傳感器的研發(fā)提供了創(chuàng)新思路。

柔性離子材料的優(yōu)勢(shì)：柔性離子材料憑借低模量特性，具備拉伸性、柔韌性和柔軟性，能很好地適配生物組織或不規(guī)則表面（圖 1a-c）；其高透光性為透明電子學(xué)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)（圖 1d）；極性液體填充使其擁有良好的離子導(dǎo)電性（圖 1e），且水和有機(jī)溶劑的低成本特性，支持大規(guī)模、三維化制備（圖 1f）。

圖1. 柔性離子材料的拉伸性、柔韌性、柔軟性、透光性、離子導(dǎo)電性及 3D 制備特性展示

離子電子學(xué)工作原理：離子電子學(xué)以離子為電荷載體，連接剛性電子器件與柔性生物系統(tǒng)。柔性離子材料可作為離子導(dǎo)體或電解質(zhì)，在電極與電解質(zhì)界面形成雙電層（EDL），既阻止電化學(xué)反應(yīng)，又能實(shí)現(xiàn)電勢(shì)傳輸，且在約 1V 的應(yīng)用電壓范圍內(nèi)具備電化學(xué)穩(wěn)定性（圖 2）。

傳感器的核心構(gòu)成：受自然啟發(fā)的柔性離子傳感器，是柔性材料、自然靈感與離子電子學(xué)三大領(lǐng)域交叉融合的成果，其核心在于通過(guò)材料特性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，復(fù)刻生物傳感的信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸機(jī)制。

圖2. 柔性離子材料作為離子導(dǎo)體的工作原理

2. 六大類(lèi)傳感器的設(shè)計(jì)與性能

（1）視覺(jué)傳感器（受眼睛啟發(fā)）

人類(lèi)視網(wǎng)膜的半球形結(jié)構(gòu)和密集排列的光感受器，是實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的關(guān)鍵。研究采用鈣鈦礦納米線構(gòu)建人工視網(wǎng)膜，通過(guò)離子液體形成雙電層，光照射下產(chǎn)生電子 - 空穴對(duì)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，所制備的人工眼響應(yīng)時(shí)間（32.0ms）和恢復(fù)時(shí)間（40.8ms）優(yōu)于人類(lèi)眼睛（40-150ms）（圖 3a-d）。此外，通過(guò) SnO?/NiO 雙殼層等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了紅、綠、藍(lán)三色識(shí)別，搭配液晶透鏡和人工虹膜，進(jìn)一步提升了顏色選擇性和焦距調(diào)節(jié)能力（圖 3e-g）。

圖3. 受眼睛啟發(fā)的視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)與性能

（2）聽(tīng)覺(jué)傳感器（受耳朵啟發(fā)）

人類(lèi)耳朵通過(guò)鼓膜振動(dòng)傳遞聲音，耳蝸毛細(xì)胞將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。研究利用 PVA 基水凝膠和垂直石墨烯納米片（VGNs）復(fù)刻毛細(xì)胞結(jié)構(gòu)，聲波引發(fā)水凝膠振動(dòng)，導(dǎo)致 VGNs 電導(dǎo)率變化，可檢測(cè) 60Hz-20kHz 的聲音，且在水下環(huán)境中能通過(guò)測(cè)量 VGNs 的電阻變化量化聲壓波響應(yīng)（圖 4）。

圖4. 受耳朵啟發(fā)的聽(tīng)覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)

（3）觸覺(jué) / 熱覺(jué)傳感器（受皮膚啟發(fā)）

觸覺(jué)傳感：人類(lèi)皮膚的多層結(jié)構(gòu)（表皮、真皮、皮下組織）具備壓力分散和吸收能力。研究采用水凝膠 - 彈性體復(fù)合材料構(gòu)建多點(diǎn)觸摸傳感器，硅彈性體模擬表皮，水凝膠復(fù)刻真皮特性，可量化 20N 范圍內(nèi)的外力，且能檢測(cè)寬區(qū)域內(nèi)的多點(diǎn)接觸（圖 5a-d）；受默克爾細(xì)胞中 Piezo2 蛋白啟發(fā)，設(shè)計(jì)的電容式傳感器，在 10kPa 以上壓力下靈敏度達(dá) 0.01pF/kPa，可檢測(cè)紙星（56.8mg）、甲蟲(chóng)（10.2mg）等微小物體的壓力（圖 5e-g）。

熱覺(jué)傳感：皮膚中的熱感受器能區(qū)分溫?zé)?、涼爽、炎熱、寒冷四種熱刺激。柔性離子材料可作為可拉伸離子導(dǎo)體，其離子導(dǎo)電性隨溫度變化（符合阿倫尼烏斯方程），通過(guò)電荷弛豫時(shí)間（應(yīng)變不敏感變量）實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)，10×10 網(wǎng)格陣列的人工皮膚，溫度靈敏度達(dá) 10.4%/°C，50% 應(yīng)變下平均測(cè)量誤差僅 0.29°C（圖 5h-j）。

圖5. 受皮膚啟發(fā)的觸覺(jué) / 熱覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)

（4）味覺(jué)傳感器（受舌頭啟發(fā)）

人類(lèi)舌頭通過(guò)味蕾中的化學(xué)受體區(qū)分味道，唾液的溶解作用助力離子傳輸。研究以多孔水凝膠構(gòu)建人工唾液層，加入 LiCl 實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性，當(dāng)暴露于單寧酸（TA）時(shí)，水凝膠孔結(jié)構(gòu)從微孔轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米孔，增強(qiáng)離子傳輸，無(wú)需預(yù)校準(zhǔn)即可在 10s 內(nèi)高靈敏度檢測(cè) 0.0005-1wt% 范圍內(nèi)的 TA 濃度（圖 6）。

圖6. 受舌頭啟發(fā)的味覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理

（5）嗅覺(jué)傳感器（受鼻子啟發(fā)）

人類(lèi)嗅覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)嗅粘膜和氣味結(jié)合蛋白檢測(cè)化學(xué)刺激。研究采用比色水凝膠陣列，將水凝膠中的水替換為不同離子液體或溶劑，使其能與特定化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)，通過(guò)顏色變化可視化檢測(cè)結(jié)果。該傳感器可選擇性識(shí)別 NaClO、KNO?等危險(xiǎn)物質(zhì)，能區(qū)分 1.2-9.8μm 的微粒，最低檢測(cè)質(zhì)量達(dá) 39.4pg（圖 7）。

圖7. 受鼻子啟發(fā)的嗅覺(jué)傳感器

（6）接近傳感器（受鰩魚(yú)啟發(fā)）

鰩魚(yú)通過(guò)皮膚下的電感受器網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需物理接觸即可檢測(cè)獵物的電場(chǎng)變化。人工接近傳感器以水凝膠為電場(chǎng)接收層，上皮層包裹核心，帶電物體接近時(shí)誘導(dǎo)水凝膠產(chǎn)生電壓，離子移動(dòng)形成與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的離子電流，通過(guò)多傳感器陣列可估算物體的方位和相對(duì)位置（圖 8）。

圖8. 受鰩魚(yú)啟發(fā)的接近傳感器結(jié)構(gòu)與傳感機(jī)制

3. 當(dāng)下傳感器性能與未來(lái)方向：

傳感器性能匯總

表 1 系統(tǒng)梳理了六大類(lèi)傳感器的檢測(cè)范圍、靈敏度 / 準(zhǔn)確度、響應(yīng) / 恢復(fù)時(shí)間、核心特性及所用材料。例如，視覺(jué)傳感器焦距可達(dá) 1.37-56mm，觸覺(jué)傳感器應(yīng)變檢測(cè)范圍超 1860%，聽(tīng)覺(jué)傳感器可覆蓋 1Hz-100kHz 頻率，味覺(jué)傳感器能檢測(cè) 10-15-1wt% 的目標(biāo)物質(zhì)，接近傳感器檢測(cè)距離可達(dá) 5-240cm，充分展現(xiàn)了柔性離子傳感器的多功能性和高性能。

表1. 六大類(lèi)柔性離子傳感器核心性能匯總

當(dāng)前挑戰(zhàn)與未來(lái)方向

盡管成果顯著，該領(lǐng)域仍面臨四大挑戰(zhàn)（圖 9）：

水生環(huán)境傳感：水分會(huì)屏蔽電場(chǎng)交互，需復(fù)刻密集電感受器網(wǎng)絡(luò)或結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化信號(hào)處理；

植入式生物降解性：需開(kāi)發(fā)刺激響應(yīng)型生物降解材料，實(shí)現(xiàn)降解時(shí)間可控，避免二次手術(shù)；

機(jī)械可持續(xù)性：通過(guò)加入吸濕性材料、彈性體封裝、雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或高纏結(jié)聚合物網(wǎng)絡(luò)，解決脫水、腫脹、機(jī)械損傷等問(wèn)題；

電化學(xué)穩(wěn)定性：利用有機(jī)凝膠 / 離子凝膠擴(kuò)大電化學(xué)窗口，或構(gòu)建全離子系統(tǒng)，減少離子 - 電子界面的電化學(xué)反應(yīng)。

圖 9. 柔性離子傳感器未來(lái)研究方向示意圖

總結(jié)

本綜述系統(tǒng)闡述了受自然啟發(fā)的柔性離子傳感器的研究進(jìn)展，通過(guò)復(fù)刻生物傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與機(jī)制，結(jié)合柔性離子材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成功開(kāi)發(fā)出視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、接近傳感六大類(lèi)高性能傳感器。這些傳感器具備高靈敏度、良好柔韌性、低功耗等優(yōu)勢(shì)，在可穿戴設(shè)備、人機(jī)界面、軟機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。同時(shí)，文章明確指出當(dāng)前研究面臨的核心挑戰(zhàn)，并從多維度提出未來(lái)研究方向，為該領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展提供了清晰的思路與重要的參考依據(jù)。

原文來(lái)源：Bio-Inspired Ionic Sensors: Transforming Natural Mechanisms into Sensory Technologies.

鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01692-6.

審核編輯 黃宇