Гибкая высокочувствительная беспроводная сенсорная система с расширенным диапазоном деформаций за счет ионно-электронной синергии

Умные пластыри, улавливающие каждое движение

Представьте тонкий гибкий пластырь на горле, который может «слышать» вашу речь без микрофона, или мягкую ленту на робо-рыбе, чувствующую, как она движется в океане. В этом исследовании предложен новый тип растягивающегося беспроводного сенсора, способного фиксировать крошечные движения и большие деформации, при этом надежно работая на теле человека и в подводных роботах. Это направление открывает путь к будущим носимым устройствам и биовдохновленным машинам, которые будут отслеживать здоровье, движение и окружающую среду с чувствительностью, сравнимой с живой кожей.

Почему сложно сделать растяжимые сенсоры

Многие современные устройства уже опираются на гибкие датчики деформации, чтобы отслеживать сгибы и растяжения в суставах, мягких роботах или носимых устройствах. Но существует стойкий компромисс: сенсоры с большой растяжимостью обычно теряют чувствительность, тогда как очень чувствительные элементы склонны ломаться или давать ненадежные показания при больших деформациях. Традиционные конструкции в основном используют электронные проводники — материалы, в которых ток несут электроны — в виде тонких пленок, которые при растяжении образуют микротрещины. Эти трещины могут повышать чувствительность, но при чрезмерном растяжении электронные пути просто разрываются, и устройство перестает давать полезную информацию.

Двухканальный сенсор: ионы плюс электроны

Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи создали гибридный материал, объединяющий два типа носителей заряда. Внутри их сенсора, называемого системой сенсинга с усиленной ионно-электронной синергией (IESS), пористый резиновый слой удерживает и углеродные нанотрубки, проводящие электроны, и ионную жидкость, в которой ток переносят заряженные молекулы. Поверх нанотрубок расположен очень тонкий золотой слой, который при растяжении формирует контролируемые микротрещины. Когда устройство растягивают, золотой слой и сеть нанотрубок образуют и расширяют трещины, прерывающие часть электронных путей. Одновременно ионная жидкость перестраивается в новые каналы, которые могут мостить разрывы между отделёнными регионами. Поскольку электроны и ионы по-разному реагируют на растяжение, их совместное действие дает гораздо более крупное и настраиваемое изменение электрического сопротивления, чем любое из них по отдельности.

Разрыв и мосты на микромасштабе

Команда тщательно настроила структуру так, чтобы поведение «трещин и мостов» работало в их пользу. Корректируя толщину золотого слоя и содержание нанотрубок, они нашли конфигурацию, в которой датчик остается чувствительным практически от отсутствия растяжения до 100-процентного удлинения — то есть при удвоении длины. Микроскопия показывает губчатую внутреннюю структуру, легко деформирующуюся, а изображения поверхности демонстрируют сеть трещин, которая эволюционирует от мелких разбросанных линий при малых деформациях до широких открытых разрывов при больших растяжениях. Электрические испытания подтверждают, что ионная жидкость существенно снижает барьеры для переноса заряда через сеть нанотрубок и через трещины, обеспечивая огромное изменение сопротивления при изгибе или растяжении устройства. Датчик способен обнаруживать деформации размером до 0,08 процента, реагирует менее чем за десятую долю секунды и выдерживает тысячи циклов растяжения с лишь незначительным дрейфом.

От человеческого горла до роботизированных акул

Авторы превратили этот материал в полноценную беспроводную систему с миниатюрным микроконтроллером, высокоточной электроникой, батареей и связью по Bluetooth, все это уложено в компактный модуль. Носимый на шее пластырь записывает тонкие движения горла при разговоре. С применением алгоритмов машинного обучения система способна различать девять простых голосовых звуков с точностью свыше 90 процентов. Размещаемый на запястьях, пальцах, коленях и других суставах, он отслеживает повседневные движения и их частоты в реальном времени. При герметизации для подводного использования и установке на робото-акулу сенсор четко разделяет паттерны ныряния, всплытия и горизонтального плавания. Аналогичные пластыри на буйе и на роботе с крыльями, машущими в воздухе, фиксируют деформации, вызванные волнами, и частоту взмахов, демонстрируя, что одно и то же основное устройство может контролировать как здоровье человека, так и сложные движения в воде и воздухе.

Что это значит для повседневных технологий

Позволив ионам и электронам работать вместе внутри тщательно сконструированной мягкой структуры, это исследование показывает, что возможно создать датчики деформации, одновременно чрезвычайно чувствительные и сильно растягиваемые, без опоры на громоздкие провода. Интегрированная система способна улавливать все — от крошечных вибраций горла до больших сгибов суставов — передавать данные по беспроводной связи и работать даже в требовательных средах, таких как океан. Для неспециалистов главное послание в том, что будущие носимые пластыри, мягкие роботы и умная инфраструктура могут получить куда более «кожно-подобное» осязание, что откроет дорогу более естественным интерфейсам речи, лучшему мониторингу здоровья, более безопасным морским системам и более отзывчивым биовдохновленным машинам.

Цитирование: Chai, J., Wu, G., Huang, Z. et al. Ion–electron synergy-enhanced flexible highly sensitive wireless sensing system with wide strain range. Microsyst Nanoeng 12, 149 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01261-w

Ключевые слова: гибкие датчики деформации, носимый мониторинг здоровья, мягкая робототехника, подводное зондирование, беспроводная биосенсорика