基于人体皮肤热感知原理的超高灵敏度柔性温度传感器开发

传感器关键性能的突破往往可以带来新的技术革命。近年来仿生机器人技术、人造假肢技术和可穿戴健康监护设备的发展引起了人们对超高灵敏柔性温度传感器的极大兴趣。在医疗健康领域内，100 毫开尔文（mK）是识别由于受伤、感染或剧烈运动影响引起体温变化所需的最低温度灵敏度要求。对于平衡紊乱、精神紧张或睡眠不足引起的微小病理生理热变化的监测则需要更高的温度灵敏度。此外，要模仿人类的触觉，人造皮肤必须具备与人体皮肤相同或更高的温度灵敏度（20 mK）。当温度灵敏度达到 mK 水平时，人造皮肤甚至可以超越人体皮肤，具有像蛇（3 mK）和鲨鱼（1 mK）一样感知热辐射和热踪迹的能力。

近日，吉林大学电子科学与工程学院张彤教授团队开发了一款用于高精度人体体温监测和仿生温觉感知的超高灵敏度柔性温度传感器。该工作基于人体皮肤热感知工作原理，提出利用非对称聚合物双层（APB）中热诱导阳离子跨膜迁移机制实现超灵敏温度传感以实现对于微小温度变化的检测。由于其独特的工作机制，温度升高可使传感器的电学性质由非离子聚合物类型向离子导电聚合物类型转变，这种导电机制的变化使得传感器的电阻在较小温度范围内发生跨量级变化（图1c）。

图1 仿生温度传感器：（a）人体皮肤热感受器工作机理（b）APB聚电解质双层结构示意图（c）APB温度传感机制示意图

该工作研究了影响非对称聚合物双层温敏性能的关键因素（图2a-c）。研究发现传感器温度响应随着非离子导电聚合物层厚度先增加后降低，这是由于非离子导电聚合物层厚度的增大提高了离子迁移能量势垒。APB传感器在10-60℃温度范围内展现出典型的阿伦尼乌兹行为，经过拟合，其具有良好的线性度（R²>0.99）和高的热指数（B=10128 K）（图2d）。另外，与目前已报道的柔性温度传感器相比，传感器具有超高的温度灵敏度（1.42 mK）和较大的电阻温度系数（11.25%/℃），同时传感器还展现出良好的循环稳定性（图2e-g）。

图2 APB传感器的温度传感特性

与人体皮肤触摸物体判断其材质的工作机制类似，该工作验证了APB传感器可以赋予机械手识别物体材质的能力（图3a）。得益于APB传感器优良的传感表现，传感器可以捕捉到仿生机械手（37℃）接触物体时伴随的热量交换过程，并且接触具有不同导热率材质的物体时传感器测量曲线具有不同的斜率最大值（图3b-d）。

因此，将斜率最大值作为特征量有望实现机械手对不同物体的材质识别。使用机械手对九种不同材质的物体分别抓握100次，将获得的特征量使用五折交叉验证法划分为训练集和验证集，使用分类学习算法对数据进行机器学习，可以准确分辨出相同形状不同材质的各种物体，准确率为99.9%（图3e-i）。将APB温度传感器集成到人造皮肤中可以提升仿生机械手人工触觉的维度，进一步完善其功能；为实现更高水平的机器人智能仿生活动提供可能。

图3 APB传感器在实现机械手在物体材质识别上的应用

该工作以“Ultrasensitive Flexible Temperature Sensors Based on Thermal-Mediated Ions Migration Dynamics in Asymmetrical Polymer Bilayers”为题在国际著名期刊ACS Nano上在线发表。吉林大学电子科学与工程学院李凡博士为第一作者，通讯作者为张彤教授和赵红然副教授。

上述工作是该团队近期关于可穿戴柔性传感器的最新进展之一。吉林大学微纳传感材料与器件实验室（SMDLAB）长期致力于面向工业生产安全、环境污染、人体健康以及家居环境等领域的气体、湿度、压力、温度、生物分子等传感检测，开展微纳米传感材料的设计和制备、传感器的结构设计以及应用开发。相关成果还发表在Advanced Functional Materials、Small、Small Methods、Biosensors & Bioelectronics、Journal of Hazardous Material、Nano-Micro Letters、ACS Sensors、Sensors and Actuators B: Chemical、ACS Applied Materials & Interfacs、IEEE Electron Device Letters等期刊上。

审核编辑：刘清