离子—电子协同增强的柔性高灵敏无线传感系统，具有宽应变范围

能感知每一次动作的智能绷带

想象一块薄而柔软的贴片贴在喉部，能够在没有麦克风的情况下“听到”你说话，或者一条软质机器鱼上带着柔软的带子，能感知它在海中如何游动。这项研究介绍了一种新型弹性无线传感器，既能感知极小的微动，也能承受大幅拉伸，并能在人体和水下机器人上可靠工作。它指向未来的可穿戴设备和仿生机器，这些设备将在灵敏度接近生物皮肤的水平上监测健康、运动和环境。

为什么可拉伸传感很难实现

许多现代设备已经依赖柔性应变传感器来跟踪关节弯曲、软体机器人或可穿戴设备的拉伸。但存在一个顽固的权衡：能大量拉伸的传感器往往灵敏度下降，而非常灵敏的传感器在大应变下容易断裂或给出不可靠的读数。传统设计主要使用电子导体——通过电子传导电流的材料——以薄膜形式铺设，拉伸时薄膜会产生微裂纹。这些裂纹能够提升灵敏度，但当薄膜被拉得过长时，电子传输通道就会断裂，设备无法再提供有用信号。

双通道传感：离子加电子

为突破这一限制，研究人员构建了一种混合材料，结合了两种电荷载体。在他们称为离子—电子协同增强感测系统（IESS）的传感器内部，一个多孔的橡胶状层同时包含导电子的碳纳米管和由带电分子传导电流的离子液体。在其表面覆盖一层极薄的金膜，拉伸时会形成可控的微裂纹。当器件被拉伸时，金层和纳米管网络会产生并扩展裂纹，打断部分电子通道。与此同时，离子液体重排形成新的通道，可以桥接断裂区域之间的间隙。由于电子和离子对拉伸的响应不同，二者的复合效应比任何单一载流子都能产生更大且可调的电阻变化。

微观尺度上的断裂与桥接

团队精心调整结构，使这种断裂与桥接的行为朝有利方向发展。通过调节金层厚度和纳米管含量，他们找到了一个配置，使传感器从几乎无应变一直对到100%伸长（长度加倍）都保持响应。显微镜观察显示内部呈海绵状，易于变形；表面图像则显示裂纹网络随应变从低应变时的稀疏细小裂缝发展到高应变时的宽大开口。电学测试证实，离子液体显著降低了电荷通过纳米管网络及跨裂纹移动的阻碍，使器件在弯曲或拉伸时呈现巨大的电阻变化。该传感器可检测低至0.08%的应变，响应时间不到0.1秒，并在数千次拉伸循环后仅表现出轻微漂移。

从人类喉部到机器人鲨鱼

作者随后将该材料集成到完整的无线系统中，内含微型微控制器、高精度电子元件、电池和蓝牙通信，全部封装在紧凑模块中。佩戴在颈部时，贴片记录说话时的细微喉部运动。借助机器学习算法，系统能以超过90%的准确率区分九种不同的简单语音动作。贴在手腕、手指、膝盖等关节处时，能够实时跟踪日常动作及其频率。将器件封装用于水下并安装在机器人鲨鱼上时，传感器能清晰区分潜泳、上浮和向前游动的模式。相似的贴片安装在浮标和振翅机器人上，可捕捉由波浪引起的应变和振动频率，表明相同的核心器件既能监测人体健康，也能记录水中与空气中的复杂运动。

这对日常科技意味着什么

通过让离子和电子在精心设计的软结构中协同工作，本研究表明可以构建既极其灵敏又高度可拉伸的应变传感器，而无需依赖笨重的线缆。集成系统能感知从微小喉部振动到大幅关节弯曲的各种信号，并可无线传输数据，且能在如海洋这类苛刻环境中工作。对非专业读者来说，关键信息是：未来的可穿戴贴片、软体机器人和智能基础设施有望获得更像皮肤的触觉，使语音界面更自然、健康监测更精准、海洋系统更安全，以及仿生机器更具响应性。

引用: 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

关键词: 柔性应变传感器, 可穿戴健康监测, 软体机器人, 水下感测, 无线生物传感