中科院上海硅酸盐研究所与新加坡国立大学联合开发多自由度高灵敏柔性压离子传感器
随着生物力学评估和沉浸式VR/AR技术的快速发展，对高精度人体运动捕捉的需求日益增长。传统的光学与惯性传感器虽然广泛应用，但存在成本高昂、佩戴不适以及校准复杂等问题。近年来，柔性弯曲传感器作为替代方案受到关注，然而电阻式、电容式及压电式传感器在实际应用中面临诸如持续耗电、信号干扰或仅能响应动态刺激等限制。
柔性压电离子传感器因其柔软、自供能和对动静态刺激的响应能力，成为研究热点。但其在灵敏度低、检测范围有限以及自由度响应单一等方面仍有待突破，限制了在复杂人体运动监测中的应用。为解决这些问题，中科院上海硅酸盐研究所孙静研究员团队的王冉冉研究员与程荫特聘研究员联合新加坡国立大学Ho Ghim Wei教授，通过材料与结构的协同创新，开发出一款具备高灵敏度、多自由度分辨能力的SPIM柔性压离子传感器。
在材料设计方面，研究团队利用离子-偶极相互作用促进离子通道形成，并通过空间位阻效应增强离子迁移的不对称性，从而实现3.2 mV/度的超高灵敏度。结构设计上，采用四棱柱纤维与对称纳米网格电极相结合，有效解耦多方向弯曲，能够精准识别屈伸、展收、环转等复杂动作。该传感器不仅可实现手部动作的数字孪生，还能通过单关节控制完成复杂的VR交互操作，为穿戴式元宇宙界面提供了轻量化、高精度的解决方案。
相关研究成果以“Ultrasensitive multi-degree-of-freedom piezoionic sensor via synergistic hydrogel-ion interactions”为题发表于国际期刊《Nature Communications》。论文第一作者包括方悦博士、欧阳昊硕士与程荫特聘研究员，通讯作者为程荫特聘研究员、Ho Ghim Wei教授和王冉冉研究员。
图文解析
图1. SPIM柔性传感器的设计及超高灵敏度的机理分析
图1展示了SPIM传感器从设计到性能提升的完整路径。图1a参考了人体皮肤中的机械感受器机制，揭示了离子门控传输的基本原理。图1b对比了三种水凝胶-离子体系，其中PSA-LiCl体系通过偶极-离子作用构建独立离子通道，而PSA-Li(TFSI)体系则通过聚合物-离子双通道机制实现超高灵敏度。密度泛函理论计算（图1c）表明，PSA中SBMA基团与Li+的结合能低于与水分子的结合能，进一步通过分子动力学模拟（图1d）验证了PSA-Li(TFSI)体系中离子扩散系数较高。有限元仿真（图1e）显示该体系电势差可达19.4 mV。图1f和图1g对比了传统传感器与SPIM传感器在性能指标上的显著优势。
图2. 机械/电气韧性与界面韧性
图2重点展示了传感器的结构稳定性与界面兼容性设计。PSA水凝胶的杨氏模量为14 kPa，兼具柔软性与支撑性，可在50%-450%应变范围内稳定回弹（图2a、2b、2c）。电极方面，采用静电纺丝与真空蒸镀结合的eTPU-AgNP纳米网电极，展现出优异的机电稳定性（图2d）。在界面粘附性方面，PSA-Li(TFSI)水凝胶与电极之间通过氢键、离子-极性相互作用及静电引力实现27 kPa的粘附强度，保证了传感器在长期使用中的稳定性。
图3. PSA-Li(TFSI)的传感性能
图3系统展示了SPIM传感器的多项核心性能。灵敏度方面，60度以内为3.2 mV/度，60-180度区间提升至8.6 mV/度，覆盖人体关节运动范围（图3a）。响应时间为200 ms，恢复时间为100 ms，适合实时监测（图3b）。方向识别能力上，传感器可区分上下弯曲（图3c）。在重复性测试中，即使6度微小弯曲也能产生稳定信号（图3d）。频率适应性测试显示，0.05-4 Hz范围内均能准确捕捉信号（图3e）。长期稳定性测试表明，10,000次循环后输出信号无明显衰减（图3f）。
图4. 自由姿势手部运动的数字孪生
SPIM传感器凭借多自由度感知能力，成功实现了腕关节复杂运动的实时追踪与数字孪生建模。传感器采用四棱柱PSA-Li(TFSI)纤维与对称eTPU-AgNP电极，贴合腕部可监测屈伸、外展、环转等多种动作（图4a、4b）。在频率响应测试中，40度伸展动作在不同频率下均保持信号稳定（图4d）。通过ADC转换、滤波与回归分析处理信号后，在Unity平台中实现了手部运动的实时数字映射（视频1），尤其在环转动作中，X-Y轴信号相位差可精准还原运动轨迹。
图5. 单一紧凑传感器实现单关节虚拟现实控制
SPIM传感器可在单一关节动作下实现VR场景的复杂操作，验证其作为人机交互接口的实用性。腕部佩戴的传感器将弯曲角度和方向转化为X/Y轴电势信号，经MCU处理后映射为VR指令（图5a）。图5b展示了8种基础驾驶指令与腕部动作的对应关系。在虚拟驾驶场景中，用户通过简单的腕部动作即可完成转向、加速和变道等操作（图5c，视频2），显示出该传感器在沉浸式交互中的高效性与直观性。
审核编辑 黄宇