首尔国立大学：研究生物启发型离子传感器：将自然机制转化为传感技术

研究背景

数百万年的自然选择进化，让众多生物形成了能精准检测环境变化的独特传感系统。以人类为例，其五大感官（视觉、触觉、听觉、味觉、嗅觉）通过专门器官和受体，可将光、压力、振动等外部刺激转化为电化学信号，具备高适应性和灵敏度等优异特性。受此启发，人工传感器领域发展迅速，但传统传感器采用刚性电子基材料，无法变形，难以适配不规则表面，且无法复刻生物传感系统的信号传输原理。为此，兼具柔韧性、拉伸性和离子导电性的柔性离子材料应运而生，为仿生传感器的研发提供了关键支撑，不过目前该类传感器仍面临性能标准化、复杂环境适应性等诸多待解难题。

研究亮点

1.构建了全面的分类框架，将传感器按视觉、触觉、听觉、味觉、嗅觉和接近传感六大类展开，系统梳理了每类传感器的自然灵感来源、工作机制及人工实现方式。

2.深入剖析柔性离子材料的核心优势，包括拉伸性、柔韧性、透光性、离子导电性等，且阐述了其如何助力传感器复刻生物传感系统的关键功能。

3.整合了多类生物的独特传感特性，既涵盖人类五大感官，也包括鳐鱼、鲨鱼的接近传感、蚂蚁触角的多功能传感等，为传感器设计提供了丰富的自然灵感。

4.基于大量实验数据，明确了不同传感器的核心性能参数（如响应时间、灵敏度、检测范围等），并通过对比分析，凸显了柔性离子传感器的性能优势。

5.针对性指出当前研究面临的四大核心挑战，并从水生环境传感、植入式生物降解性、机械可持续性、电化学稳定性四个维度，提出切实可行的未来研究方向

研究内容

1. 核心基础与材料特性：

自然传感系统的启发：自然生物的传感系统是传感器设计的核心灵感来源。人类的五大感官器官（眼、耳、皮肤、舌、鼻）通过专属受体实现信号转换，而鳐鱼、鲨鱼的电感受器、蚂蚁的触角、骆驼的鼻腔结构、荷叶的疏水表面等生物特性，为多功能、高性能传感器的研发提供了创新思路。

柔性离子材料的优势：柔性离子材料凭借低模量特性，具备拉伸性、柔韧性和柔软性，能很好地适配生物组织或不规则表面（图 1a-c）；其高透光性为透明电子学应用奠定基础（图 1d）；极性液体填充使其拥有良好的离子导电性（图 1e），且水和有机溶剂的低成本特性，支持大规模、三维化制备（图 1f）。

图1. 柔性离子材料的拉伸性、柔韧性、柔软性、透光性、离子导电性及 3D 制备特性展示

离子电子学工作原理：离子电子学以离子为电荷载体，连接刚性电子器件与柔性生物系统。柔性离子材料可作为离子导体或电解质，在电极与电解质界面形成双电层（EDL），既阻止电化学反应，又能实现电势传输，且在约 1V 的应用电压范围内具备电化学稳定性（图 2）。

传感器的核心构成：受自然启发的柔性离子传感器，是柔性材料、自然灵感与离子电子学三大领域交叉融合的成果，其核心在于通过材料特性与结构设计，复刻生物传感的信号转换与传输机制。

图2. 柔性离子材料作为离子导体的工作原理

2. 六大类传感器的设计与性能

（1）视觉传感器（受眼睛启发）

人类视网膜的半球形结构和密集排列的光感受器，是实现高分辨率成像的关键。研究采用钙钛矿纳米线构建人工视网膜，通过离子液体形成双电层，光照射下产生电子 - 空穴对并转化为电信号，所制备的人工眼响应时间（32.0ms）和恢复时间（40.8ms）优于人类眼睛（40-150ms）（图 3a-d）。此外，通过 SnO₂/NiO 双壳层等结构设计，实现了红、绿、蓝三色识别，搭配液晶透镜和人工虹膜，进一步提升了颜色选择性和焦距调节能力（图 3e-g）。

图3. 受眼睛启发的视觉传感器结构与性能

（2）听觉传感器（受耳朵启发）

人类耳朵通过鼓膜振动传递声音，耳蜗毛细胞将振动转化为电信号。研究利用 PVA 基水凝胶和垂直石墨烯纳米片（VGNs）复刻毛细胞结构，声波引发水凝胶振动，导致 VGNs 电导率变化，可检测 60Hz-20kHz 的声音，且在水下环境中能通过测量 VGNs 的电阻变化量化声压波响应（图 4）。

图4. 受耳朵启发的听觉传感器结构

（3）触觉 / 热觉传感器（受皮肤启发）

触觉传感：人类皮肤的多层结构（表皮、真皮、皮下组织）具备压力分散和吸收能力。研究采用水凝胶 - 弹性体复合材料构建多点触摸传感器，硅弹性体模拟表皮，水凝胶复刻真皮特性，可量化 20N 范围内的外力，且能检测宽区域内的多点接触（图 5a-d）；受默克尔细胞中 Piezo2 蛋白启发，设计的电容式传感器，在 10kPa 以上压力下灵敏度达 0.01pF/kPa，可检测纸星（56.8mg）、甲虫（10.2mg）等微小物体的压力（图 5e-g）。

热觉传感：皮肤中的热感受器能区分温热、凉爽、炎热、寒冷四种热刺激。柔性离子材料可作为可拉伸离子导体，其离子导电性随温度变化（符合阿伦尼乌斯方程），通过电荷弛豫时间（应变不敏感变量）实现温度检测，10×10 网格阵列的人工皮肤，温度灵敏度达 10.4%/°C，50% 应变下平均测量误差仅 0.29°C（图 5h-j）。

图5. 受皮肤启发的触觉 / 热觉传感器设计

（4）味觉传感器（受舌头启发）

人类舌头通过味蕾中的化学受体区分味道，唾液的溶解作用助力离子传输。研究以多孔水凝胶构建人工唾液层，加入 LiCl 实现导电性，当暴露于单宁酸（TA）时，水凝胶孔结构从微孔转变为纳米孔，增强离子传输，无需预校准即可在 10s 内高灵敏度检测 0.0005-1wt% 范围内的 TA 浓度（图 6）。

图6. 受舌头启发的味觉传感器结构与工作原理

（5）嗅觉传感器（受鼻子启发）

人类嗅觉系统通过嗅粘膜和气味结合蛋白检测化学刺激。研究采用比色水凝胶阵列，将水凝胶中的水替换为不同离子液体或溶剂，使其能与特定化学物质反应，通过颜色变化可视化检测结果。该传感器可选择性识别 NaClO、KNO₃等危险物质，能区分 1.2-9.8μm 的微粒，最低检测质量达 39.4pg（图 7）。

图7. 受鼻子启发的嗅觉传感器

（6）接近传感器（受鳐鱼启发）

鳐鱼通过皮肤下的电感受器网络，无需物理接触即可检测猎物的电场变化。人工接近传感器以水凝胶为电场接收层，上皮层包裹核心，带电物体接近时诱导水凝胶产生电压，离子移动形成与电场强度成正比的离子电流，通过多传感器阵列可估算物体的方位和相对位置（图 8）。

图8. 受鳐鱼启发的接近传感器结构与传感机制

3. 当下传感器性能与未来方向：

传感器性能汇总

表 1 系统梳理了六大类传感器的检测范围、灵敏度 / 准确度、响应 / 恢复时间、核心特性及所用材料。例如，视觉传感器焦距可达 1.37-56mm，触觉传感器应变检测范围超 1860%，听觉传感器可覆盖 1Hz-100kHz 频率，味觉传感器能检测 10-15-1wt% 的目标物质，接近传感器检测距离可达 5-240cm，充分展现了柔性离子传感器的多功能性和高性能。

表1. 六大类柔性离子传感器核心性能汇总

当前挑战与未来方向

尽管成果显著，该领域仍面临四大挑战（图 9）：

水生环境传感：水分会屏蔽电场交互，需复刻密集电感受器网络或结合机器学习优化信号处理；

植入式生物降解性：需开发刺激响应型生物降解材料，实现降解时间可控，避免二次手术；

机械可持续性：通过加入吸湿性材料、弹性体封装、双网络结构或高缠结聚合物网络，解决脱水、肿胀、机械损伤等问题；

电化学稳定性：利用有机凝胶 / 离子凝胶扩大电化学窗口，或构建全离子系统，减少离子 - 电子界面的电化学反应。

图 9. 柔性离子传感器未来研究方向示意图

总结

本综述系统阐述了受自然启发的柔性离子传感器的研究进展，通过复刻生物传感系统的结构与机制，结合柔性离子材料的独特优势，成功开发出视觉、触觉、听觉、味觉、嗅觉、接近传感六大类高性能传感器。这些传感器具备高灵敏度、良好柔韧性、低功耗等优势，在可穿戴设备、人机界面、软机器人等领域应用潜力巨大。同时，文章明确指出当前研究面临的核心挑战，并从多维度提出未来研究方向，为该领域的持续发展提供了清晰的思路与重要的参考依据。

原文来源：Bio-Inspired Ionic Sensors: Transforming Natural Mechanisms into Sensory Technologies.

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

审核编辑 黄宇