科學家引入預加載設計和離電傳感機制，讓柔性傳感器穩定響應頻率達1000Hz

當前，人們日常生活中對現代人機交互和生物識別技術的需求正在日益增長。這些領域的快速發展要求傳感器能夠感知複雜動態信號，並儘可能減少能源消耗。現有的柔性可穿戴力傳感器多關注準靜態信號，對於寬頻帶的動態信號性能相對不足，限制了它們在語音識別和語音控制等新興領域的應用。

西安交通大學盧同慶教授和團隊意識到現有柔性傳感器在監測複雜動態信號方面的局限性，尤其是在健康監測、人機交互和水下傳感等領域。因此，團隊決定集中力量研發一種新型的離電動態力傳感器，旨在解決兼顧高靈敏度和寬頻帶響應這一柔性傳感領域的難題。同時，他們設想：如果柔性傳感器可以像人類的皮膚一樣，無需額外的電源就能感知環境，極有可能會讓柔性傳感器的應用範圍更廣，也使得人類與電子設備的互動更加自然。於是，他們開始探索一種能夠賦予傳感器自主供電能力的新方法。

確定了總體研究方向以及具體研究課題後，團隊成員劉建星、郭浩宇、劉海洋等人集思廣益，探討不同材料、結構和工作機制的可能性。經過大量的文獻研究和小組討論，他們設計了嚴謹的研究方案。

「柔性傳感器在實現高靈敏度的同時還需要具有寬帶寬響應的特性，本質上需要將其力學響應組件和電學傳感組件解耦。」團隊成員郭浩宇在討論中說道。

經過一系列實驗和嘗試，最終團隊提出了基於預加載策略的柔性離電動態力傳感技術。利用預拉伸彈性電極薄膜承擔動態載荷的響應、預壓縮的微結構水凝膠與電極形成的雙電層電容承擔載荷的傳感。

基於上述研究想法和思路，團隊開發了兩類離電傳感器，驗證了傳感器的動態性能，建立了相應的理論模型，並與實驗結果進行對比。

當傳感器的性能達到了預期，團隊開始探索其應用展示。他們設計了兩類原型設備：用於人聲識別和模仿人類皮膚，並在實驗室中進行模擬測試。

這個過程不僅是對傳感器性能的再次驗證，也是對其實際應用潛力的探索。最終，團隊成功展示了這些技術在語音人機交互和離子皮膚等領域中的應用前景，指出了研究的應用意義。

總的來說，研究團隊通過引入預加載設計策略和離電傳感機制，解決了柔性傳感器在動態信號檢測中靈敏度和帶寬之間的矛盾。這一設計使得他們能夠在高靈敏度的基礎上，顯著擴大傳感器的工作帶寬，穩定響應頻率最高可達 1000 Hz。他們的傳感器不僅能夠高保真地記錄簡單的純音和和弦，還能處理複雜的音樂信號和語音命令。在此基礎上，他們進一步探索了無源離電傳感技術，在不需要外部交流電源的情況下，實現了超高的電荷靈敏度，傳感單元的靈敏度達到 24270 pC N-1，超出大多數壓電傳感單元大約 10 倍。

他們提出的柔性傳感單元具有對動態刺激高靈敏、無源、水凝膠基生物友好等特點，一定程度上解決了現有柔性傳感器領域的一些局限，為推動離電傳感技術的發展和應用提供了新思路。

審稿人對相關研究評價道：「長期以來，柔性傳感器的響應速度慢一直是該領域面臨的一大挑戰，這項工作提出了一種使用預拉伸策略來增強柔性傳感器頻率範圍的方法。能夠將頻率範圍增加到~1000 赫茲，這是人類聲音的聲學範圍，本研究具有重要科學意義。」

並認為：「相關研究在基於力學結構設計提升傳感器頻率響應方面，以及結構/材料參數對無源離電傳感器性能的影響規律等方面，做出了獨特而重要的貢獻。」

離電動態力傳感器和自供電離電傳感單元在多個領域都具有潛在的應用前景。通過調節結構/材料參數，離電動態力傳感器的傳感特性可以精確調節，滿足不同應用的需求。作為示例，他們通過寬頻動態傳感器原理樣機實現了對機械結構人機交互的語音控制；基於無源痛覺傳感器實現了一套感知-驅動一體化系統，能夠模仿人手在接觸尖銳物體時的退縮反射行為。

他們認為這項研究將推動柔性傳感器在智能醫療、可穿戴設備、人機接口和水聲傳感等領域具有應用前景。

在可穿戴設備方面，研製的離電傳感器能夠高效捕捉與人類相關的複雜動態信號，可集成於可穿戴設備中，實現對生理信號（如心率、呼吸、肌肉活動等）的實時監測。此外，可以開發高靈敏度的動態假肢，模仿人類的自然反應，這種傳感器的高靈敏度和寬帶寬特性將極大提高健康管理的準確性和可靠性。

在人機交互方面，該離電動態傳感器可用於開發高保真度的語音識別設備，使其能更精準地捕捉人類聲音，提升智能家居或機器人設備的控制體驗。此外，結合自供電離電傳感技術，可以大大降低工作能耗。

在機器人技術方面，通過將自供電離電傳感技術與離電動態力傳感策略相結合，可以為機器人賦予類似於人類的觸覺能力，使其能感知壓力、振動等，從而在醫療、救援和服務等領域進行更安全、有效的交互。這種結合將使機器人具備更多人性化的特徵，提升其在複雜環境中的適應能力。

在水下聲波傳感方面，憑藉柔性離電動態力傳感器的低頻高靈敏傳感優勢和自供電離電傳感技術，可實現對低頻水下聲波的高靈敏傳感和長期監測，有望用於改善國防領域水下裝備性能。

目前，團隊成員劉建星已加入西安交通大學成為一名青年教師；團隊成員劉海洋碩士畢業後，前往香港科技大學深造；團隊成員郭浩宇已博士畢業，並以博士後身份入站南方科技大學，繼續從事離電傳感方面的研究。

後續，團隊將繼續開展離電傳感領域的前沿研究，嘗試開發基於離電傳感單元的多模態高集成度的柔性傳感器，並將探索將離電傳感技術應用至水聲傳感等工程領域中，服務國家重大需求。

參考資料：

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).

運營/排版：何晨龍