仿生静电场非接触感知原理及典型应用示意图局部
自然界中，电鳗不靠双眼视物，仅凭独特的电场感知能力，便能在浑浊水域精准锁定猎物、辨识环境。近日，电鳗这一“绝活”被成功解锁并转化成硬科技成果——西安电子科技大学副教授张维强团队“学会”了电鳗这一看家本领。研发的新型仿生非接触感知技术，既有电鳗般的敏锐，又摆脱了物理接触的束缚，精度高、还不“挑食”（金属、塑料、液体通吃）。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。
在传感器周围布下看不见的“电场蜘蛛网”
“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。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。
这块驻极体材料可以通俗地理解为一颗微型的“静电电池”。张维强说：“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。
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。
张维强（左）与团队成员在实验室合影
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。
该技术在多个领域具备极高应用前景
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”，张维强解释道，这意味着，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。
手势识别是如何实现的？研究团队相关负责人介绍，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，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，就能实现从“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。通俗来说，就是操作人员隔空挥一挥手，即可操控机械臂完成抓取、搬运等作业。”团队相关负责人介绍，该技术在医疗隔离操作、高危环境作业、智能助残设备等领域，具备极高的落地价值与应用前景。
团队将积极挖掘该技术航天应用潜力
工业无损检测也是这项技术大显身手的核心领域。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、刮痕或厚度不均等瑕疵，都可能直接降低产品整体性能与使用寿命。传统视觉检测技术存在一定的短板。而这项基于电场扰动的仿生感知技术，恰好精准弥补了行业痛点。“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”，张维强说。
研究团队相关实验结果显示，无论是导电薄膜的缺失区域，还是绝缘涂层下的隐藏缺陷，这项技术都能实现高精度、非接触式无损检测，大幅提升工业质检的智能化水平。
这么硬核的科研成果，不能只“躺”在论文里。
立足现有技术突破，张维强团队持续深耕仿生传感技术，积极推动科研成果落地转化，探索该技术在智能制造、机器人近场感知、装备状态监测、智能人机交互等多个领域的多元应用。
在智能制造车间，视觉和红外搞不定的特殊工况，它偏偏拿手——光学环境再复杂、检测材料再多样，它都能无接触精准识别。在智能机器人领域，这种新型传感器可为机械臂赋予精准近场感知能力，就像给机械臂装上了一层“安全缓冲垫”，作业前就能提前感知距离变化、预判位置偏移，从而提升操作的精度与安全性以及智能化水平。
此外，依托西电科大空间科学与技术学院的学科优势，团队还积极挖掘技术的航天应用潜力。未来，该技术有望应用于空间机器人操作、航天器舱外设备巡检、机械臂安全对接、在轨设备维护等航天场景。“这种传感器功耗低、不怕黑、不用接触，放到真空和辐照环境里正合适，未来有望成为航天器智能监测的新装备。”团队相关负责人说。
从实验室迈向工业化，这项技术还有待持续打磨。张维强坦言，多传感融合才是行业主流，单一技术无法替代所有，团队将持续进行优化，推动仿生静电场感知落地更多实景场景。
文/记者任娜通讯员王格图/受访团队提供
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