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离子迁移驱动的柔性传感突破 —— 中科院硅酸盐所 SPIM 技术解锁人机自然交互新可能

发布时间：2026年02月04日分享：

人体运动捕捉与人机交互技术正向着更高精度、更多自由度和更自然交互方式快速发展，中国科学院上海硅酸盐研究所团队联合新加坡国立大学 Ho Ghim Wei 教授，发表在《Nature Communications》的 SPIM（Soft, Piezoionic, Multi-Dof）柔性压离子传感器（论文标题：Ultrasensitive multi-degree-of-freedom piezoionic sensor via synergistic hydrogel-ion interactions），用材料与结构的双重创新，给出了 “自然交互” 的终极答案 ——让传感器成为人体的 “第二层皮肤”，让身体动作直接转化为数字指令。

颠覆传统：三大技术瓶颈的一次性突破

传统柔性传感器存在持续耗电、易受干扰或仅响应动态刺激等短板，现有压电离子传感器则受限于低灵敏度（通常低于 0.5 mV / 度）、检测范围窄（多低于 120 弯曲度）、仅能单轴响应，无法实现多自由度关节运动监测。SPIM 传感器通过材料 - 结构协同设计，破解上述难题，成果经多尺度理论与实验验证。

材料革命：离子体系的 “自供能魔法”

核心为两性离子水凝胶（PSA）与锂盐构建的离子体系，由上海硅酸盐所程荫特聘研究员、王冉冉研究员主导研发：

能量机制：离子 - 偶极相互作用促进离子通道形成，空间位阻效应放大正负离子迁移率失衡，实现 3.2 mV / 度超高灵敏度；
理论验证：密度泛函理论计算证实 Li⁺与 PSA 中 SBMA 基团结合能（-4.3 eV）强于与水分子结合（-1.6 eV），分子动力学模拟验证体系离子扩散系数更优；
人体兼容：PSA 水凝胶杨氏模量约 14 kPa，与人体皮肤匹配，50%-450% 应变循环拉伸后可弹性恢复，佩戴适配性优异。

结构创新：四棱柱形设计破解多自由度难题

采用四棱柱形 PSA-Li (TFSI) 水凝胶纤维 + 对称分布的纳米网格电极，使不同方向弯曲形变在电信号空间实现精准解耦，成功捕捉腕关节屈曲 / 伸展、外展 / 内收及顺时针 / 逆时针环转等复合动作
电极选用 eTPU-AgNP 纳米网格结构，通过氢键、离子 - 极性相互作用及静电引力与水凝胶形成强界面耦合，粘附强度高达 27 kPa，确保 10,000 次循环测试后仍稳定导电
200 ms 响应速度 + 100 ms 恢复速度，完美覆盖人体关节 0.05-4 Hz 的自然运动频率，6° 微小弯曲即可输出稳定可辨信号

性能碾压：关键参数刷新行业纪录

在核心性能指标上，SPIM 传感器实现了对传统柔性传感器的全面超越：其灵敏度达到 3.2 mV / 度，较传统柔性传感器 0.5-1.2 mV / 度的行业均值提升 2-6 倍；检测角度覆盖 0-180° 全角度线性范围，相比传统传感器 30-90° 的非线性检测区间，覆盖范围实现翻倍；最小识别角度仅为 6°，较传统产品 15-20° 的识别阈值，精准度提升 60%；循环稳定性更是突破至 10,000 次无衰减，远超传统柔性传感器 3,000-5,000 次的使用寿命，相当于寿命延长 2-3 倍。

SPIM柔性传感器的设计及超高灵敏度的机理分析

场景落地：从实验室验证到应用探索

该传感器已完成腕关节复杂运动捕捉与数字孪生重建，可将腕关节动作转化为 VR 场景控制指令，实现单关节驱动转向、加速、变道等复杂交互，为元宇宙轻量化人机交互提供解决方案，同时在实时精准生物力学分析领域具备应用潜力。

自由姿势手部运动的数字孪生

SPIM 传感器能够通过单关节的肢体动作，实现对 VR 场景的复杂控制，这一特性充分证明了它作为人机交互接口的实用性和便捷性。把传感器贴合在皮肤表面，腕关节弯曲的方向和幅度会被转换成 X、Y 轴的电势信号，再通过 MCU 系统处理，转化为 VR 场景里的操作指令，让人体的真实动作直接变成虚拟世界的操控动作。下图 a 展示了这一转换的原理，下图 b 列出了 8 种核心驾驶指令，分别对应腕关节不同的单动作或组合动作；在下图 c 的 VR 交通场景演示中，佩戴传感器的人只需要活动手腕，就能轻松完成虚拟汽车的转向、加速、变道等操作。这不仅验证了传感器在沉浸式交互中的高效与直观，更为元宇宙打造了轻量化、高精度的人机交互新方案。

SPIM 柔性压离子传感器的突破，是中国科学院上海硅酸盐所与新加坡国立大学跨学科合作的成果，其核心价值不仅是技术参数的刷新，更重构了人机交互的底层逻辑 —— 从 “人适应机器” 到 “机器适应人”。这项通过《Nature Communications》权威期刊认证的技术创新，已在实验室层面充分验证可行性，正在向产业化、场景化稳步推进。

当传感器变得柔软、无感、精准，人类与数字世界的连接将彻底告别媒介束缚。或许再过 2-3 年，这项源于中国科研团队的黑科技，将让 “戴上传感贴片即入元宇宙” 成为现实，用身体的每一个动作，书写数字世界的新可能。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67613-8

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