在自然界中，电鳗能在浑浊水域里精准捕食，靠的不是眼睛，而是一种“电场感知”的特殊能力。

西安电子科技大学空间科学与技术学院副教授张维强团队从这一生物现象中获得灵感，成功研发出一种新型的仿生非接触感知技术，为智能制造、人机交互和工业检测等领域带来了新的想象空间。近日，相关成果发表在《先进材料》上。

张维强副教授（左）与团队成员刘明鑫在实验室毕业合影。西安电子科技大学

把生物“电定位”变成固态传感器

电鳗能够主动在身体周围建立一个电场，并通过感知外界物体对电场的扰动来判断环境。团队借鉴的正是这一机制，在工程实现上利用经过电晕极化处理的含氟聚合物驻极体材料，构建了一款固态仿生静电场传感器。

“我们不是完整复制电鳗的生物系统，而是借鉴它‘建立电场—感知扰动—提取信息’的基本思想”，张维强这样概括研究的核心思路。

这块驻极体材料可以通俗地理解为一颗微型的“静电电池”。张维强解释：“它经过‘充电’后能够长期保持电荷状态，在传感器周围形成一个相对稳定的准静态电场。你可以把它想象成在传感器周围布下了一张看不见的‘电场蜘蛛网’。”

当任何目标物体——无论是金属、塑料、玻璃还是人的手——靠近这个区域时，其自身的导电性、介电特性和几何边界会改变局部电场分布，就像石子投入水面会引起波纹一样。这种变化会在传感器的接地背电极上产生可测量的电势调制信号，从而实现非接触感知。整个感知过程不依赖主动发射信号，无需机械接触，也不受环境光照条件影响。

这项研究是在团队前期围绕摩擦纳米发电、自驱动传感和界面电荷行为等方向的长期积累基础上推进的。“传统摩擦电传感器更多强调接触或机械运动带来的电信号变化，而这项工作进一步把关注点从‘接触界面电荷行为’延伸到‘非接触电场扰动感知’。”张维强介绍。

敏锐的“电场触角”

传感器的灵敏度有多高？张维强给出了一个直观的数据：“位置移动50微米就能产生约1伏特的电压变化。”50微米大约是一根头发丝直径的一半，这意味着传感器足以捕捉到极其轻柔的指尖划过。在超过一万次的接近—远离循环测试后，其信号响应依然保持稳定，未出现明显衰减。

更重要的是，这套感知系统对各类材质具有广泛的适应性。“不同材料对电场的‘扰动’方式各不相同，就像每个人都有不同的指纹”，张维强用这个比喻来解释技术的核心优势。不同于电感传感主要针对金属目标、光学方法依赖目标表面反射特性，这项技术对金属、聚合物、玻璃、木材等均可产生响应。系统通过分析这些独特的“电场扰动指纹”，就能获取目标的信息。

当然，静电场感知容易受到环境湿度、表面残余电荷等因素影响。团队对此进行了系统评估：在不同湿度条件下测试传感器是否仍能保持有效响应；采用离子风机对样品进行消电处理，并通过表面电势分布测试和对照实验区分表面残余电荷引起的扰动与真实信号。“看到信号差异之后，我们并没有马上下结论，而是经过多轮对照验证才逐步建立起判断。”张维强说。

这些扎实的验证工作为后续工程化应用奠定了基础。

既能“隔空辨物”，也能“看懂手势”

基于这种敏锐的电场扰动感知能力，张维强带领团队通过标准化运动轨迹采集不同材料的扰动信号，成功实现了对多种典型材料的非接触识别，验证了该技术在多个场景中的应用潜力。“不同材质、不同表面特征对电场的扰动信号在幅值、波形上存在差异，我们通过特征提取和程序判断把这些差异转化为分类结果。”张维强表示。

这就意味着，在自动化回收、流水线分拣等场景中，机器可以“隔空”判断物品材质，实现智能分类——即便两个物体颜色相同、外观相似，只要材质不同，传感器就能“感觉”出它们的区别。

手势识别是另一个让人充满想象的场景。手部在传感区域附近运动时，不同手势对应不同的运动轨迹，会引起各具特点的电场扰动波形。研究团队采集这些信号后通过神经网络进行学习和分类，再将识别结果与机械臂控制系统相结合，成功实现了从“手势输入”到“机械臂动作执行”的完整闭环。

“无需穿戴任何设备，只需在传感器前方做出简单的滑动、点击或抓取手势，机械臂就能准确执行相应动作”，团队成员、西安电子科技大学硕士研究生刘明鑫介绍，想象一下，操作人员隔空挥一挥手，机械臂就能完成抓取、搬运等任务，这在医疗隔离操作、危险环境作业或助残设备中都具有重要的应用价值。

工业无损检测也是这项技术大显身手的领域。在高端制造业中，产品表面的涂层质量至关重要，微小的气泡、刮痕或厚度不均都可能导致产品性能下降。传统的视觉检测在面对透明涂层或复杂曲面时常常力不从心。而这项基于电场扰动的技术恰好能弥补这一短板。“涂层缺陷会改变局部的介电特性，从而在电场中留下独特的‘信号印记’，传感器能够敏锐地捕捉到这种变化”，刘明鑫说。

团队以导电膜玻璃、不锈钢/聚酰亚胺复合材料和紫外固化PMMA涂层为对象进行了实验，结果显示不同缺陷程度会引起具有差异性的电场扰动信号，结合轻量化神经网络模型，系统在三类样品上均取得了较好的识别效果。无论是导电薄膜上的缺失区域，还是绝缘涂层下的隐藏瑕疵，这项技术都有望实现精准检测。

从实验室走向更广阔的应用场景

面向未来，这项技术可以在智能制造、机器人近场感知、装备状态监测和人机交互等方向继续探索。

在智能制造中，它可以作为视觉、红外、电感等方法的补充，用于一些不适合接触检测、光学条件不稳定或材料类型较复杂的场景。在机器人领域，张维强描绘了这样的场景：“传感器有望为机械臂提供近场感知能力，使机器人在接触目标之前就能获得一定的接近状态和相对位置变化信息，从而提升操作的安全性和智能化水平。”

结合空间科学与技术学院的学科背景，团队也关注这类技术在航天装备状态监测中的潜在应用。例如，未来在空间机器人操作、航天器舱外设备检查、机械臂安全接近以及在轨维护等场景中，低功耗、无接触、对光照依赖较弱的近场感知技术可能具有独特的补充价值。

从实验室到生产线，这项成果距离真正用于工业现场或复杂装备还有较长距离，“后续还需要系统评估长期稳定性、工程封装、信号鲁棒性、算法泛化能力以及在真空、温度循环、辐照、复杂电磁环境等条件下的可靠性”，张维强坦言，“不同技术各有适用边界，未来更现实的方向可能是多传感融合，而不是单一技术完全替代其他技术。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.73903