科学家引入离电传感机制，让柔性传感器稳定响应频率达1000Hz

当前，人们日常生活中对现代人机交互和生物识别技术的需求正在日益增长。这些领域的快速发展要求传感器能够感知复杂动态信号，并尽可能减少能源消耗。现有的柔性可穿戴力传感器多关注准静态信号，对于宽频带的动态信号性能相对不足，限制了它们在语音识别和语音控制等新兴领域的应用。

西安交通大学卢同庆教授和团队意识到现有柔性传感器在监测复杂动态信号方面的局限性，尤其是在健康监测、人机交互和水下传感等领域。因此，团队决定集中力量研发一种新型的离电动态力传感器，旨在解决兼顾高灵敏度和宽频带响应这一柔性传感领域的难题。同时，他们设想：如果柔性传感器可以像人类的皮肤一样，无需额外的电源就能感知环境，极有可能会让柔性传感器的应用范围更广，也使得人类与电子设备的互动更加自然。于是，他们开始探索一种能够赋予传感器自主供电能力的新方法。

确定了总体研究方向以及具体研究课题后，团队成员刘建星、郭浩宇、刘海洋等人集思广益，探讨不同材料、结构和工作机制的可能性。经过大量的文献研究和小组讨论，他们设计了严谨的研究方案。

“柔性传感器在实现高灵敏度的同时还需要具有宽带宽响应的特性，本质上需要将其力学响应组件和电学传感组件解耦。”团队成员郭浩宇在讨论中说道。

经过一系列实验和尝试，最终团队提出了基于预加载策略的柔性离电动态力传感技术。利用预拉伸弹性电极薄膜承担动态载荷的响应、预压缩的微结构水凝胶与电极形成的双电层电容承担载荷的传感。

基于上述研究想法和思路，团队开发了两类离电传感器，验证了传感器的动态性能，建立了相应的理论模型，并与实验结果进行对比。

当传感器的性能达到了预期，团队开始探索其应用展示。他们设计了两类原型设备：用于人声识别和模仿人类皮肤，并在实验室中进行模拟测试。

这个过程不仅是对传感器性能的再次验证，也是对其实际应用潜力的探索。最终，团队成功展示了这些技术在语音人机交互和离子皮肤等领域中的应用前景，指出了研究的应用意义。总的来说，研究团队通过引入预加载设计策略和离电传感机制，解决了柔性传感器在动态信号检测中灵敏度和带宽之间的矛盾。这一设计使得他们能够在高灵敏度的基础上，显著扩大传感器的工作带宽，稳定响应频率最高可达 1000 Hz。他们的传感器不仅能够高保真地记录简单的纯音和和弦，还能处理复杂的音乐信号和语音命令。在此基础上，他们进一步探索了无源离电传感技术，在不需要外部交流电源的情况下，实现了超高的电荷灵敏度，传感单元的灵敏度达到 24270 pC N-1，超出大多数压电传感单元大约 10 倍。

他们提出的柔性传感单元具有对动态刺激高灵敏、无源、水凝胶基生物友好等特点，一定程度上解决了现有柔性传感器领域的一些局限，为推动离电传感技术的发展和应用提供了新思路。

课题组关于离电传感的相关论文在 2024 年、2025 年先后以《基于可控预加载策略的宽带平坦频响离电动态传感器》（Iontronic Dynamic Sensor with Broad Bandwidth and Flat Frequency Response Using Controlled Preloading Strategy）为题发表在ACS Nano和《在电荷输出模式下具有高灵敏度的自供电离电传感单元》（Self-Powered Iontronic Capacitive Sensing Unit with High Sensitivity in Charge-Output Mode）为题发表在Advanced Functional Materials上。

审稿人对相关研究评价道：“长期以来，柔性传感器的响应速度慢一直是该领域面临的一大挑战，这项工作提出了一种使用预拉伸策略来增强柔性传感器频率范围的方法。能够将频率范围增加到~1000 赫兹，这是人类声音的声学范围，本研究具有重要科学意义。”

并认为：“相关研究在基于力学结构设计提升传感器频率响应方面，以及结构/材料参数对无源离电传感器性能的影响规律等方面，做出了独特而重要的贡献。”

离电动态力传感器和自供电离电传感单元在多个领域都具有潜在的应用前景。通过调节结构/材料参数，离电动态力传感器的传感特性可以精确调节，满足不同应用的需求。作为示例，他们通过宽频动态传感器原理样机实现了对机械结构人机交互的语音控制；基于无源痛觉传感器实现了一套感知-驱动一体化系统，能够模仿人手在接触尖锐物体时的退缩反射行为。

他们认为这项研究将推动柔性传感器在智能医疗、可穿戴设备、人机接口和水声传感等领域具有应用前景。

在可穿戴设备方面，研制的离电传感器能够高效捕捉与人类相关的复杂动态信号，可集成于可穿戴设备中，实现对生理信号（如心率、呼吸、肌肉活动等）的实时监测。此外，可以开发高灵敏度的动态假肢，模仿人类的自然反应，这种传感器的高灵敏度和宽带宽特性将极大提高健康管理的准确性和可靠性。

在人机交互方面，该离电动态传感器可用于开发高保真度的语音识别设备，使其能更精准地捕捉人类声音，提升智能家居或机器人设备的控制体验。此外，结合自供电离电传感技术，可以大大降低工作能耗。

在机器人技术方面，通过将自供电离电传感技术与离电动态力传感策略相结合，可以为机器人赋予类似于人类的触觉能力，使其能感知压力、振动等，从而在医疗、救援和服务等领域进行更安全、有效的交互。这种结合将使机器人具备更多人性化的特征，提升其在复杂环境中的适应能力。

在水下声波传感方面，凭借柔性离电动态力传感器的低频高灵敏传感优势和自供电离电传感技术，可实现对低频水下声波的高灵敏传感和长期监测，有望用于改善国防领域水下装备性能。

目前，团队成员刘建星已加入西安交通大学成为一名青年教师；团队成员刘海洋硕士毕业后，前往香港科技大学深造；团队成员郭浩宇已博士毕业，并以博士后身份入站南方科技大学，继续从事离电传感方面的研究。

后续，团队将继续开展离电传感领域的前沿研究，尝试开发基于离电传感单元的多模态高集成度的柔性传感器，并将探索将离电传感技术应用至水声传感等工程领域中，服务国家重大需求。

参考资料：

1.Self-powered iontronic capacitive sensing unit with high sensitivity in charge-output.Advanced Functional Materials. 2412377 (2025).

2.Iontronic Dynamic Sensor with Broad Bandwidth and Flat Frequency Response Using Controlled Preloading Strategy.ACS Nano. 18 (7), 5599-5608 (2024).

3.Frequency dependent sensitivity of hydrogel iontronic sensor.Smart Materials and Structures. 32, 015010 (2023).

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