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研究背景
人类通过视觉、触觉、听觉、味觉和嗅觉感知外界环境与世界互动，这些感官通过器官中的受体来感知和转换来自环境的外部刺激。各种类型的外部刺激被生物受体转化为视觉、机械或电化学信号。近年来，电子学的发展催生模拟人类感觉系统的人工传感器。但传统传感器采用刚性、电子基材料，无法变形，不适用于不规则表面，限制仿生应用。软离子材料赋予了传感器柔韧性和可拉伸性，通过固有的离子电导率使其能够模拟生物信号传输。基于软离子材料研发的人工仿生传感器可高敏、低耗、快速将外界刺激转化为电信号，在可穿戴设备、人机界面、人工器官等方面显示出令人印象深刻的潜在效用。
Bio-Inspired Ionic Sensors: Transforming Natural Mechanisms into Sensory Technologies
Kyongtae Choi, Gibeom Lee, Min-Gyu Lee, Hee Jae Hwang, Kibeom Lee* & Younghoon Lee*
Nano-Micro Letters (2025)17: 180
https://doi.org/10.1007/s40820-025-01692-6
本文亮点
1. 自然生物体的传感能力为开发仿生传感器及提供了创新性见解，本文围绕自然和人工传感系统的特点和工作原理，从视觉、触觉、听觉、味觉、嗅觉和接近感应六大类方面对仿生传感器的发展进行了全面综述。
2. 软离子材料为仿生器件设计提供了许多优势，本文从可拉伸性、柔韧性、柔软性、高透光性等角度，介绍了受生物传感启发的软离子仿生传感器的材料特性和工作原理。
3. 软离子仿生传感器是各种应用的关键部件，特别是在人机界面和软体机器人领域，本文讨论了软离子传感器在机械感受器、热感受器、化学感受器和光感受器中的应用，并对其在水生传感、实现植入的生物降解性、机械可持续性以及提高电化学稳定性等方面所面临的挑战及未来研究方向进行了总结。
内容简介
自然生物通过数百万年的进化产生独特的感觉系统，使其能够检测到周围环境的各种变化。感觉系统具有许多受体，例如光感受器、机械感受器和化学感受器，它们可以检测各种类型的外部刺激，包括光、压力、振动、声音和化学物质。这些刺激被转化为电化学信号，这些信号被传输到大脑以产生视觉、触觉、听觉、味觉和嗅觉。受生物传感系统生物学原理的启迪，电子学领域凭借近期取得的进展，成功推动了人工传感器的广泛应用。韩国嘉泉大学Younghoon Lee&庆熙大学Kibeom Lee等聚焦于受生物传感系统启发、运用软离子材料的人工传感器的最新研究成果。文中详细阐述了这类离子材料所展现出的多种功能特性，特别是机械性能和电学特性。围绕自然和人工传感系统的特点和工作原理，本文从视觉、触觉、听觉、味觉、嗅觉以及接近感应这六大类别展开深入探究。最后，本文探讨了仿生传感领域目前需要克服的挑战，同时概述了软离子传感器领域的未来研究方向。
图文导读
I 受自然启发的软离子器件概述
自然生物体的进化痕迹为研究人员提供了关于软离子传感器开发和传感性能增强的创新见解。例如，在鳐鱼(图1a)和鲨鱼(图1b)中发现的接近传感能力为设计接近传感器提供了灵感；蚂蚁的触角感应系统(图1c)可检测压力、振动、磁和化学刺激，展示出多功能传感应用的潜力；骆驼腔的结构特征(图1d)被引入传感器中，以实现增强的湿度敏感性；荷叶的疏水特性使叶子的表面具有自清洁能力(图1e)。这些结构特征有助于提高传感器的灵敏度、扩大传感目标范围并提供多功能性。
图1 受自然启发的软离子器件概述。
II 软离子材料的出色性能
软离子传感器通过接收刺激并将其转换为化学电信号，从而允许与环境相互作用，常被用于制备模拟人类感觉系统的传感器。软离子材料为仿生器件设计提供了许多优势(图2)，例如其拉伸性和柔韧性和柔软性使其能够模仿自然生物体适应周围环境的能力，而高透射率有助于通过材料传输光学信息。此外，软离子材料可以填充到材料聚合物网络中的极性液体，如水和有机液体，很容易溶解离子，从而赋予离子材料离子电导率。水和有机溶剂的成本相对较低，因此可以制造大体积和三维离子材料。这些独特的特性使软离子材料特别适用于仿生应用领域。
图2 软离子材料的出色性能。
III 软离子材料的工作原理
离子电子学作为一项先进的技术，通过控制离子作为电荷载流子，将刚性电子设备和软生物系统连接起来。基于离子材料的器件可以用作离子导体(图3a)。软离子材料可以用作电解质，在电极和电解质之间的界面处形成双电层(EDL)(图3b)。在离子材料中，阳离子和阴离子都通过电压差传输到每个电极(图3c)。双电层可防止界面处发生电化学反应，同时将电位传输到外部电路。使用离子材料的器件可以在1 V的外加电压范围内以电化学稳定性运行(图3d)。
图3 软离子材料作为离子导体的工作原理。
IV 自然启发的软离子传感器
软材料、仿生特性和离子电子特性这三大领域前景广阔，它们的协同发展为传感器领域带来了诸多突破。软材料具备的离子电导率和柔韧性，为自然启发的软离子传感器性能提升奠定了坚实基础。其离子电导率能够模拟生物体内的信号传导机制，使传感器对各类刺激的响应更加灵敏；而柔韧性则赋予传感器良好的适应性，可与复杂的表面完美贴合，尤其在可穿戴设备领域，极大地提升了用户的佩戴体验。
图4 受自然启发的软离子传感器的特点。
V Eye-inspired”传感器
人类视觉系统是与周围环境互动和响应周围环境变化的最重要器官。光感受器负责感知外部光并将其转化为视觉信号并通过视神经纤维传输到大脑，沿着视网膜的半球形结构排列(图5a)。受人类视网膜启发，研究人员利用钙钛矿纳米线设计了人工视网膜。在纳米线与含电解质的离子液体界面形成双电层，光照时纳米线产生电子-空穴对，其迁移引发的电化学反应可被检测并处理成图像。该人工眼响应时间为32.0 ms，恢复时间为40.8 ms，图像传感性能与人类眼睛相当甚至更优。人类视网膜中的视锥细胞可识别颜色，为模仿这一功能，研究人员开发了基于离子液体纳米线的单锥单元。该单元具有特殊结构，不同波长的光照射时，产生的光电流不同，从而实现颜色识别。此外，集成自适应光学的人工眼，可通过液晶透镜和人工虹膜调节焦距和光强，其对RGB颜色的光学灵敏度不同，能在不同光照条件下快速响应并灵敏辨别颜色。
图6 “Ear-inspired”传感器。
VI “Ear-inspired”传感器
人类通过听觉系统感知20-20000Hz频率范围内的声音。外界声波引发空气压力振荡，促使鼓膜振动，进而将振动传递至耳蜗内的毛细胞。图6b为耳朵内毛细胞相关结构，毛细胞是听觉系统关键部分，其中内毛细胞负责将外界声音振动转化为电信号，外毛细胞对振动起放大作用，共同实现机械振动到听觉信息的转换，让人类能感知声音频率，对周围潜在威胁做出反应。受人类听觉系统启发，研究人员利用PVA基水凝胶和石墨烯纳米片制作了人工听觉传感器(图6c)。声音波使PVA水凝胶产生振动，进而改变石墨烯纳米片的电导率，以此实现对60-20kHz 声音的检测。图6d展示该传感器在水中对声压波的响应量化方式，通过测量石墨烯纳米片的电阻变化来实现，证明了其在水下声音检测方面的应用潜力。
图6 “Ear-inspired”传感器。
VII “Skin-inspired”传感器
皮肤是人体最大的器官，能够检测和响应包括压力、变形和温度变化等触觉刺激，从而获取有关周围环境的各种重要信息。受皮肤结构启发，研究人员使用具有导电性的水凝胶-弹性体混合物制作了多触点传感器。其中，硅酮弹性体模拟表皮的机械性能，水凝胶则模仿真皮的特性，能响应性变形并提供类似皮肤的弹性(图7d)。哺乳动物Merkel细胞中的Piezo2蛋白为提高传感器灵敏度提供了思路。基于此原理，研究人员制作了使用粘弹性聚合物和离子液体的电容式压力传感器。施加压力时，离子对会被推向密集充电电极，形成更集中的双电层，从而提高传感器灵敏度，该传感器在10kPa以上压力下灵敏度可达0.01pF/kPa(图7g)。
软离子材料可作为可拉伸离子导体用于温度传感(图7j)。其离子电导率随温度变化，温度升高时离子扩散速率增加，电阻降低。将具有离子导电性的软材料集成在两个可拉伸电极之间制作的人工皮肤，能基于离子弛豫动力学检测外部热变化，且不受触觉运动信号干扰，可实时感知接触点、温度等多种信息，温度灵敏度达10.4%/°C。
图7 “Skin-inspired”传感器。
VIII “Tongue-inspired”传感器
人类舌头是一个利用化学受体区分味觉信息的器官。舌头检测到外部化学刺激，并将其传递到大脑从而识别各种味道。模仿人类舌头的味觉系统，研究人员利用软离子材料制作了人工舌头传感器。该传感器以多孔水凝胶构建人工唾液层，并添加LiCl离子作为电解质以实现导电性。当水凝胶层接触单宁酸时，单宁酸分子会与黏液中的糖蛋白黏蛋白结合，形成疏水聚集体，导致孔壁撕裂，使微孔水凝胶结构转变为纳米孔结构。这一变化会减少纳米孔与电解质之间的静电相互作用，使Li⁺和Cl⁻离子更高效地通过微/纳米孔结构，从而加快响应时间并拓宽传感范围。通过3×3阵列，该人工舌头能够同时区分不同浓度的单宁酸溶液，无需预先校准即可在约10秒内高灵敏度地检测单宁酸，检测摩尔浓度范围为 0.0005 - 1 wt%。
图8 “Tongue-inspired”传感器。
IX “Nose-inspired”传感器
人类嗅觉系统由鼻子和嗅觉受体组成。鼻子中的化学感受器能检测周围环境中的化学刺激，这些刺激被转化为物理和化学信号，如电信号、光信号或其他机械信号，经处理后传递给大脑，为判断外界物质对人体的安全性提供重要依据。
受人类嗅觉系统启发，研究人员利用软离子材料开发了比色鼻子传感器。水凝胶因主要由水组成，可作为模仿人类嗅觉系统中嗅觉黏膜功能的仿生材料。比色水凝胶基人工嗅觉传感装置能通过颜色变化可视化光学信号，以响应不同类型和浓度的目标化学物质。利用PDMS作为屏障，可防止水凝胶脱水并保护其免受环境损伤，同时PDMS基底能分离并固定每个水凝胶，模拟人类嗅觉系统广泛的化学识别能力。比色水凝胶阵列可选择性地与NaClO、KClO₃等特定有害目标化学物质发生反应，通过颜色变化检测空气中的微粒，能检测直径在1.2-9.8 μm、质量低至39.4 pg的微粒，展现出与人类嗅觉系统相似的灵敏传感能力。
图9 “Nose-inspired”传感器。
X “Ray-inspired”的接近传感器
除了前面讨论的五种常规人类感官之外，一些生物还具备独特的接近感应能力。这些传感能力已经进化到允许这些物种定位猎物并避开捕食者。
鳐鱼属于一种能够在水中通过电感受器感知周围环境的生物，其电感受器位于皮肤下方，由皮肤表面的小孔和充满导电凝胶的管道组成。当猎物等物体在周围活动产生生物电时，会引起电场变化，鳐鱼的电感受器能检测到这种变化，进而定位猎物，且无需物理接触，这种能力为其在水生环境中捕食提供了极大优势。
受鳐鱼电感受能力启发，研究人员开发了人工接近传感器。该传感器由接收电场的水凝胶和包裹核心的上皮层构成，能够感知电场的强度和极性。当带电物体靠近时，物体表面的静电荷会在水凝胶中感应出电压，水凝胶中积累的离子移动产生与电场强度成正比的离子电流，离子的迁移将电场信号传输至数据线路，从而产生电压信号，实现非接触式的接近检测。研究人员还展示了由四个透明离子传感器组成的人工透明网络，通过比较每个传感器感应的电压，可估计物体的方向和相对位置，在实际应用中具有重要意义，如可应用于可穿戴设备，实现无接触交互的目的。
图10 “Ray-inspired”传感器。
XI 软离子传感器未来研究方向
尽管目前的研究已经证明了软离子传感器的应用潜力，但在用于日常生活之前面临着一些挑战。本文从四个关键角度提出了未来的研究方向：一是提高在水生环境中的传感能力，可通过复制生物密集电感受器网络和运用机器学习信号处理方法实现；二是实现可植入设备的生物降解性，通过赋予材料刺激响应能力控制降解时间；三是确保机械可持续性，采用防止材料脱水、合成双网络结构聚合物和引入自修复能力等方法；四是提高电化学稳定性，如使用有机凝胶或离子凝胶扩大电化学窗口，将离子组件集成到全离子系统中。
图11 软离子传感器未来研究方向。
XII 总结
文章综述了受生物传感系统启发的软离子传感器的发展，探讨了其材料特性、工作原理、应用及挑战。
1. 生物传感系统与软离子材料：自然生物的感觉系统历经数百万年进化，能敏锐感知环境变化。受此启发，电子学领域发展出人工传感器。软离子材料因具备柔韧性、可拉伸性和离子导电性，成为构建仿生传感器的理想材料，在可穿戴设备、人机界面等领域展现出巨大潜力。
2. 各类仿生软离子传感器：文章从视觉、触觉、听觉、味觉、嗅觉和接近感应六类，介绍了基于软离子材料的仿生传感器。如模仿眼睛的人工视网膜，利用钙钛矿纳米线实现光信号到电信号的转换，具备高分辨率和快速响应特性；模拟耳朵毛细胞的听觉传感器，通过水凝胶和垂直石墨烯纳米片检测声音；受皮肤启发的传感器，能感知压力、温度等多种刺激；仿生舌头和鼻子的传感器，可识别化学物质；模仿鳐鱼电感受器的接近传感器，能非接触式检测物体位置 。
3. 面临的挑战与未来方向：目前软离子传感器缺乏标准化测量协议，其性能受环境温度、湿度影响。未来研究需聚焦于提高传感器在水生环境的传感能力、实现可植入设备的生物降解性、确保机械可持续性和提升电化学稳定性。例如，通过模仿生物电感受器网络提升水下传感器灵敏度，赋予材料刺激响应能力控制降解时间，改进材料结构提高机械性能，优化电路设计和材料减少电化学反应等。
作者简介
Younghoon Lee
本文通讯作者
嘉泉大学 教授
▍主要研究领域
离子电子学、离子材料、软机器人和摩擦纳米发电机。
▍主要研究成果
Younghoon Lee教授2021 年在首尔国立大学材料科学与工程系获得博士学位。2021 年至 2023 年，他担任首尔国立大学机械工程系的高级研究员，同时还是麻省理工学院电子研究实验室的博士后研究员。在此期间，积极参与跨学科科研项目，将材料科学与电气工程、计算机科学深度融合，致力于开发新型电子材料与智能传感器。
▍Email：lyh@khu.ac.kr
Kibeom Lee
本文通讯作者
庆熙大学 教授
▍主要研究领域
自主出行系统、自动驾驶汽车、数字孪生、车辆动力学与控制等领域。
▍主要研究成果
Kibeom Lee教授于2012年在Hongik University机械与系统设计工程系获得学士学位，2020年在韩国科学技术院(KAIST)绿色交通研究生院获得博士学位。Kibeom Lee教授目前就职于Gachon University未来出行系，同时担任自主系统实验室(ASL)主任。
▍Email：kibeom.lee@gachon.ac.kr
撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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