首尔国立大学：探索生物启发式离子传感器，将自然机制转化为传感技术
通过模仿数百万年自然选择塑造出的生物感知机制，科学家们正尝试将生命系统的高灵敏度与自适应能力引入人工传感技术。在这一背景下，首尔国立大学的研究团队近期提出了一套全面的仿生传感器体系，系统性地展示了如何利用柔性离子材料复刻生物感官机制，推动传感器技术进入新阶段。
研究背景
自然界中的生物在漫长的进化过程中，发展出了极为灵敏的感知系统。以人类为例，其视觉、触觉、听觉、味觉与嗅觉五大感官，通过复杂的生物受体系统将外界刺激转化为电化学信号，表现出高度的适应性和准确性。受此启发，研究人员开始探索仿生传感技术，但传统传感器因依赖刚性电子材料，难以适应不规则表面，且无法完全复现生物感知系统的动态特性。
近年来，柔性离子材料的出现为仿生传感器提供了新的技术支撑。这类材料具备拉伸性、柔韧性和良好的离子导电性能，使得传感器能够更好地贴合生物组织，并在结构和功能上更接近自然感知系统。然而，当前该类传感器在标准化和环境适应性方面仍面临诸多挑战。
研究亮点
- 构建了一套涵盖视觉、触觉、听觉、味觉、嗅觉及接近传感六大类传感器的分类框架，系统梳理了各类传感器的自然灵感来源、工作原理及人工实现方式。
- 深入分析了柔性离子材料的特性，包括其拉伸性、透光性和离子导电性，并探讨其如何助力仿生传感器的性能提升。
- 整合多种生物感知特性，如人类的五大感官、鳐鱼的接近感知、蚂蚁的多模态感知等，拓展了仿生传感器的设计思路。
- 基于实验数据，明确了传感器的关键性能指标，并通过对比分析，突出了柔性离子传感器在响应速度、灵敏度等方面的优势。
- 识别出当前研究面临的核心问题，并从水生传感、生物降解性、机械稳定性和电化学稳定性四个方面提出未来研究方向。
核心基础与材料特性
仿生传感设计的核心在于借鉴自然界的生物感知机制。例如，人类视网膜的球形结构、鳐鱼的电感受器、蚂蚁触角的多模态感知、骆驼鼻腔的结构、荷叶的疏水性表面等，都为传感器的多感官融合设计提供了丰富的灵感。
柔性离子材料因其低模量、高透光性和优异的离子导电性能，成为仿生传感器的重要基础。这类材料不仅能够贴合不规则表面，还能通过三维结构设计实现大规模制造。其独特的电荷传输机制，使得离子电子学可以连接柔性材料与传统电子系统，从而构建出更加智能的传感界面。
六大类传感器的设计与性能
视觉传感器（受眼睛启发）
基于人类视网膜的半球形结构和光感受器排列方式，研究人员采用钙钛矿纳米线与离子液体构建人工视网膜。光照射下，材料产生电子-空穴对，并通过双电层结构将其转化为电信号。实验表明，该视觉传感器的响应时间与恢复时间均优于人类视觉系统，并具备三色识别能力。
听觉传感器（受耳朵启发）
人类耳朵通过鼓膜与耳蜗毛细胞将振动转化为电信号。仿生听觉传感器以PVA水凝胶和垂直石墨烯纳米片（VGNs）模拟毛细胞结构，通过电导率变化检测声波，实现了从60Hz到20kHz的宽频率响应。
触觉/热觉传感器（受皮肤启发）
仿生触觉传感器采用水凝胶-弹性体复合材料，模拟皮肤的多层结构，具备压力分散和吸收能力。该设计可在20N范围内检测外力，并实现多点触控功能。受皮肤中Piezo2蛋白启发的电容式传感器，灵敏度可达0.01pF/kPa，能够识别微小物体的压力。
在热觉传感方面，柔性离子材料的离子导电性随温度变化，研究人员利用电荷弛豫时间作为测量依据，构建出具有高灵敏度的人工热觉系统。在50%应变下，该传感器的温度测量误差仅为0.29°C。
味觉传感器（受舌头启发）
人工味觉系统以多孔水凝胶模拟唾液环境，并通过加入LiCl增强导电性。当暴露于单宁酸（TA）时，孔结构转变为纳米孔，提高离子传输效率，实现快速检测。
嗅觉传感器（受鼻子启发）
嗅觉传感器基于比色水凝胶阵列，通过不同离子液体或溶剂的选择性反应实现对NaClO、KNO₃等物质的识别。该系统具备高选择性和极低检测限，可识别质量达39.4pg的微粒。
接近传感器（受鳐鱼启发）
鳐鱼通过电感受器检测猎物产生的电场。仿生接近传感器以水凝胶作为电场接收层，通过电压和离子电流变化实现非接触式感知，能够估算物体方位和距离。
传感器性能与未来方向
性能汇总
各类传感器的核心性能参数表明，柔性离子传感器在检测范围、响应速度、灵敏度等方面表现出色。例如，视觉传感器焦距可达56mm，触觉传感器应变检测范围超过1860%，接近传感器检测距离达240cm，展现出良好的多功能特性。
当前挑战与未来研究方向
尽管取得了显著进展，该领域仍面临若干技术难题：
- 水生环境传感：需改进电场屏蔽问题，或引入机器学习优化信号处理。
- 植入式生物降解性：开发可降解材料，实现可控降解时间，减少二次手术。
- 机械可持续性：通过结构设计提升材料的抗疲劳与抗损伤能力。
- 电化学稳定性：探索有机凝胶或全离子系统，以延长使用寿命。
总结
首尔国立大学的研究系统性地梳理了仿生离子传感器的发展现状与未来方向。通过将自然机制与柔性离子材料相结合，成功开发出覆盖多感官的高性能传感器，为可穿戴电子、人机交互、软机器人等应用提供了重要技术支撑。研究也明确了当前面临的挑战，并提出了可行的解决方案，为该领域的持续创新提供了理论基础和实践指导。
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