研究背景

數百萬年的自然選擇進化，讓眾多生物形成了能精準檢測環境變化的獨特傳感系統。以人類為例，其五大感官（視覺、觸覺、聽覺、味覺、嗅覺）通過專門器官和受體，可將光、壓力、振動等外部刺激轉化為電化學信號，具備高適應性和靈敏度等優異特性。受此啟發，人工傳感器領域發展迅速，但傳統傳感器采用剛性電子基材料，無法變形，難以適配不規則表面，且無法復刻生物傳感系統的信號傳輸原理。為此，兼具柔韌性、拉伸性和離子導電性的柔性離子材料應運而生，為仿生傳感器的研發提供了關鍵支撐，不過目前該類傳感器仍面臨性能標準化、復雜環境適應性等諸多待解難題。

研究亮點

1.構建了全面的分類框架，將傳感器按視覺、觸覺、聽覺、味覺、嗅覺和接近傳感六大類展開，系統梳理了每類傳感器的自然靈感來源、工作機制及人工實現方式。

2.深入剖析柔性離子材料的核心優勢，包括拉伸性、柔韌性、透光性、離子導電性等，且闡述了其如何助力傳感器復刻生物傳感系統的關鍵功能。

3.整合了多類生物的獨特傳感特性，既涵蓋人類五大感官，也包括鰩魚、鯊魚的接近傳感、螞蟻觸角的多功能傳感等，為傳感器設計提供了豐富的自然靈感。

4.基于大量實驗數據，明確了不同傳感器的核心性能參數（如響應時間、靈敏度、檢測范圍等），并通過對比分析，凸顯了柔性離子傳感器的性能優勢。

5.針對性指出當前研究面臨的四大核心挑戰，并從水生環境傳感、植入式生物降解性、機械可持續性、電化學穩定性四個維度，提出切實可行的未來研究方向

研究內容

1. 核心基礎與材料特性：

自然傳感系統的啟發：自然生物的傳感系統是傳感器設計的核心靈感來源。人類的五大感官器官（眼、耳、皮膚、舌、鼻）通過專屬受體實現信號轉換，而鰩魚、鯊魚的電感受器、螞蟻的觸角、駱駝的鼻腔結構、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提供了創新思路。

柔性離子材料的優勢：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則表面（圖 1a-c）；其高透光性為透明電子學應用奠定基礎（圖 1d）；極性液體填充使其擁有良好的離子導電性（圖 1e），且水和有機溶劑的低成本特性，支持大規模、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、離子導電性及 3D 制備特性展示

離子電子學工作原理：離子電子學以離子為電荷載體，連接剛性電子器件與柔性生物系統。柔性離子材料可作為離子導體或電解質，在電極與電解質界面形成雙電層（EDL），既阻止電化學反應，又能實現電勢傳輸，且在約 1V 的應用電壓范圍內具備電化學穩定性（圖 2）。

傳感器的核心構成：受自然啟發的柔性離子傳感器，是柔性材料、自然靈感與離子電子學三大領域交叉融合的成果，其核心在于通過材料特性與結構設計，復刻生物傳感的信號轉換與傳輸機制。

圖2. 柔性離子材料作為離子導體的工作原理

2. 六大類傳感器的設計與性能

（1）視覺傳感器（受眼睛啟發）

人類視網膜的半球形結構和密集排列的光感受器，是實現高分辨率成像的關鍵。研究采用鈣鈦礦納米線構建人工視網膜，通過離子液體形成雙電層，光照射下產生電子 - 空穴對并轉化為電信號，所制備的人工眼響應時間（32.0ms）和恢復時間（40.8ms）優于人類眼睛（40-150ms）（圖 3a-d）。此外，通過 SnO?/NiO 雙殼層等結構設計，實現了紅、綠、藍三色識別，搭配液晶透鏡和人工虹膜，進一步提升了顏色選擇性和焦距調節能力（圖 3e-g）。

圖3. 受眼睛啟發的視覺傳感器結構與性能

（2）聽覺傳感器（受耳朵啟發）

人類耳朵通過鼓膜振動傳遞聲音，耳蝸毛細胞將振動轉化為電信號。研究利用 PVA 基水凝膠和垂直石墨烯納米片（VGNs）復刻毛細胞結構，聲波引發水凝膠振動，導致 VGNs 電導率變化，可檢測 60Hz-20kHz 的聲音，且在水下環境中能通過測量 VGNs 的電阻變化量化聲壓波響應（圖 4）。

圖4. 受耳朵啟發的聽覺傳感器結構

（3）觸覺 / 熱覺傳感器（受皮膚啟發）

觸覺傳感：人類皮膚的多層結構（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 - 彈性體復合材料構建多點觸摸傳感器，硅彈性體模擬表皮，水凝膠復刻真皮特性，可量化 20N 范圍內的外力，且能檢測寬區域內的多點接觸（圖 5a-d）；受默克爾細胞中 Piezo2 蛋白啟發，設計的電容式傳感器，在 10kPa 以上壓力下靈敏度達 0.01pF/kPa，可檢測紙星（56.8mg）、甲蟲（10.2mg）等微小物體的壓力（圖 5e-g）。

熱覺傳感：皮膚中的熱感受器能區分溫熱、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體，其離子導電性隨溫度變化（符合阿倫尼烏斯方程），通過電荷弛豫時間（應變不敏感變量）實現溫度檢測，10×10 網格陣列的人工皮膚，溫度靈敏度達 10.4%/°C，50% 應變下平均測量誤差僅 0.29°C（圖 5h-j）。

圖5. 受皮膚啟發的觸覺 / 熱覺傳感器設計

（4）味覺傳感器（受舌頭啟發）

人類舌頭通過味蕾中的化學受體區分味道，唾液的溶解作用助力離子傳輸。研究以多孔水凝膠構建人工唾液層，加入 LiCl 實現導電性，當暴露于單寧酸（TA）時，水凝膠孔結構從微孔轉變為納米孔，增強離子傳輸，無需預校準即可在 10s 內高靈敏度檢測 0.0005-1wt% 范圍內的 TA 濃度（圖 6）。

圖6. 受舌頭啟發的味覺傳感器結構與工作原理

（5）嗅覺傳感器（受鼻子啟發）

人類嗅覺系統通過嗅粘膜和氣味結合蛋白檢測化學刺激。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，使其能與特定化學物質反應，通過顏色變化可視化檢測結果。該傳感器可選擇性識別 NaClO、KNO?等危險物質，能區分 1.2-9.8μm 的微粒，最低檢測質量達 39.4pg（圖 7）。

圖7. 受鼻子啟發的嗅覺傳感器

（6）接近傳感器（受鰩魚啟發）

鰩魚通過皮膚下的電感受器網絡，無需物理接觸即可檢測獵物的電場變化。人工接近傳感器以水凝膠為電場接收層，上皮層包裹核心，帶電物體接近時誘導水凝膠產生電壓，離子移動形成與電場強度成正比的離子電流，通過多傳感器陣列可估算物體的方位和相對位置（圖 8）。

圖8. 受鰩魚啟發的接近傳感器結構與傳感機制

3. 當下傳感器性能與未來方向：

傳感器性能匯總

表 1 系統梳理了六大類傳感器的檢測范圍、靈敏度 / 準確度、響應 / 恢復時間、核心特性及所用材料。例如，視覺傳感器焦距可達 1.37-56mm，觸覺傳感器應變檢測范圍超 1860%，聽覺傳感器可覆蓋 1Hz-100kHz 頻率，味覺傳感器能檢測 10-15-1wt% 的目標物質，接近傳感器檢測距離可達 5-240cm，充分展現了柔性離子傳感器的多功能性和高性能。

表1. 六大類柔性離子傳感器核心性能匯總

當前挑戰與未來方向

盡管成果顯著，該領域仍面臨四大挑戰（圖 9）：

水生環境傳感：水分會屏蔽電場交互，需復刻密集電感受器網絡或結合機器學習優化信號處理；

植入式生物降解性：需開發刺激響應型生物降解材料，實現降解時間可控，避免二次手術；

機械可持續性：通過加入吸濕性材料、彈性體封裝、雙網絡結構或高纏結聚合物網絡，解決脫水、腫脹、機械損傷等問題；

電化學穩定性：利用有機凝膠 / 離子凝膠擴大電化學窗口，或構建全離子系統，減少離子 - 電子界面的電化學反應。

圖 9. 柔性離子傳感器未來研究方向示意圖

總結

本綜述系統闡述了受自然啟發的柔性離子傳感器的研究進展，通過復刻生物傳感系統的結構與機制，結合柔性離子材料的獨特優勢，成功開發出視覺、觸覺、聽覺、味覺、嗅覺、接近傳感六大類高性能傳感器。這些傳感器具備高靈敏度、良好柔韌性、低功耗等優勢，在可穿戴設備、人機界面、軟機器人等領域應用潛力巨大。同時，文章明確指出當前研究面臨的核心挑戰，并從多維度提出未來研究方向，為該領域的持續發展提供了清晰的思路與重要的參考依據。

原文來源：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