在機器人、醫(yī)療健康監(jiān)測和人機交互等前沿領(lǐng)域，能夠像人體皮膚一樣同時感知溫度和壓力的柔性電子皮膚，一直是科學(xué)家們追逐的目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)柔性傳感器面臨兩大核心挑戰(zhàn)：一是溫度和壓力信號之間普遍存在“串?dāng)_”，即壓力變化會干擾溫度測量，反之亦然，嚴(yán)重影響了感知精度；二是溫度傳感器和壓力傳感器通常采用不同的材料和工藝，難以無縫集成到同一設(shè)備中，限制了高密度、大面積陣列化的實現(xiàn)。

針對這些長期存在的瓶頸，電子科技大學(xué)林媛教授、朱佳副教授和賓夕法尼亞州立大學(xué)程寰宇副教授合作，報道了一種大面積、超薄、可回收且能夠?qū)崿F(xiàn)溫度與壓力解耦雙模傳感的柔性電子皮膚。該電子皮膚通過垂直集成相同的納米復(fù)合材料體系，實現(xiàn)了溫度不敏感的壓力傳感和壓力不敏感的溫度傳感，為智能機器人、健康監(jiān)測和人機交互等領(lǐng)域提供了全新解決方案。相關(guān)論文以“Flexible, large-area, recyclable, decoupled dual sensing of temperature and pressure enabled by mechanically-electrically hybrid networks”為題，發(fā)表在Nature Communications上。

圖1 | 用于解耦溫度和壓力傳感的機械-電混合網(wǎng)絡(luò)（MEHNs）設(shè)計。 a) 受人類皮膚垂直集成、相同組成成分和梯度結(jié)構(gòu)啟發(fā)的集成電子皮膚示意圖。 b) 電子皮膚由溫度單元（T-unit）和壓力單元（P-unit）垂直堆疊而成，兩單元基于相同材料體系。 c) 溫度單元和壓力單元的解耦傳感機制示意圖：(i) 溫度單元中，VO?微粒的金屬-絕緣體相變（MIT）提供高溫度靈敏度，液態(tài)金屬顆粒作為機械緩沖實現(xiàn)壓力不敏感性；(ii) 壓力單元中，多孔結(jié)構(gòu)提升壓力靈敏度，銀納米顆粒修飾的VO?微粒實現(xiàn)溫度不敏感性。 d) 本工作與其他已報道雙模柔性傳感器的性能對比，包括小厚度、可規(guī)?；⒖杉?、可回收和簡單性。 e) 大面積、高密度雙感電子皮膚在人體健康監(jiān)測、電池健康監(jiān)測、機器人感知和人機交互中的應(yīng)用示意圖。

研究團(tuán)隊的核心創(chuàng)新在于設(shè)計了一種由剛性二氧化釩微粒和柔性液態(tài)金屬顆粒組成的機械-電混合網(wǎng)絡(luò)。溫度傳感單元利用了二氧化釩在室溫附近的金屬-絕緣體相變特性，其電阻溫度系數(shù)高達(dá)-2.23% K?1，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)金屬基傳感器。更重要的是，通過引入液態(tài)金屬顆粒作為機械緩沖層，該單元在高達(dá)220 kPa的壓力下，溫度響應(yīng)變化小于1%，成功實現(xiàn)了壓力不敏感的溫度測量。實驗顯示，該單元能夠精確檢測1 K的微小溫度變化，并在動態(tài)溫度循環(huán)和1000次重復(fù)壓縮后仍保持穩(wěn)定的響應(yīng)。

圖2 | 溫度單元（T-unit）的傳感機制與性能。 a) 溫度單元傳感機制示意圖：(i) 初始狀態(tài)；(ii) 受壓時，液態(tài)金屬顆粒作為機械緩沖保護(hù)VO?導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)壓力不敏感的溫度傳感。 b) 不同VO?含量下溫度單元對壓力的電阻響應(yīng)（液態(tài)金屬顆粒:TPU = 2:1）。 c) 不同VO?含量下溫度單元對溫度的電阻響應(yīng)（液態(tài)金屬顆粒:TPU = 2:1）。 d) 優(yōu)化后的溫度單元在不同溫度和壓力下的電阻響應(yīng)。 e) 溫度單元對1 K溫度梯度的電阻響應(yīng)。 f) 溫度單元在不同溫度動態(tài)循環(huán)下的電阻響應(yīng)。 g) 溫度單元在300 K和307 K之間循環(huán)溫度變化下的電阻響應(yīng)。

對于壓力傳感單元，研究團(tuán)隊在相同材料體系中引入了多孔結(jié)構(gòu)以降低機械剛度，并通過在二氧化釩微粒表面修飾銀納米顆粒來調(diào)控其電阻溫度系數(shù)。由于銀納米顆粒具有正電阻溫度系數(shù)，而二氧化釩為負(fù)值，兩者相互抵消后，壓力傳感單元在298 K至318 K的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出低于0.03%的電阻溫度系數(shù)，幾乎不受溫度影響。該單元在0-23 kPa、23-92 kPa和92-220 kPa三個壓力范圍內(nèi)分別具有1.21%、0.28%和0.11% kPa?1的靈敏度，并在1000次100 kPa循環(huán)壓縮后性能無明顯衰減。

圖3 | 壓力單元（P-unit）的傳感機制與性能。 a) (i) 多孔納米復(fù)合材料壓力單元的傳感機制示意圖；(ii) 在VO?微粒（負(fù)溫度系數(shù)）上引入銀納米顆粒（正溫度系數(shù)）以實現(xiàn)零溫度系數(shù)的示意圖。 b) 不同液態(tài)金屬顆粒含量下多孔納米復(fù)合材料對溫度的電阻響應(yīng)。 c) 不同銀納米顆粒修飾程度下多孔納米復(fù)合材料對溫度的電阻響應(yīng)。 d) 優(yōu)化后壓力單元的壓力傳感性能。 e) 壓力單元在不同溫度下的壓力傳感性能。 f) 壓力單元在不同壓力載荷動態(tài)循環(huán)下的電阻響應(yīng)。 g) 壓力單元在100 kPa壓力載荷下循環(huán)1000次的電阻響應(yīng)。

利用兩種傳感單元相同的材料體系和制備工藝，研究團(tuán)隊實現(xiàn)了溫度單元和壓力單元的垂直集成，并通過雙層電極設(shè)計有效避免了電學(xué)串?dāng)_。集成的4×4陣列電子皮膚能夠同時繪制溫度和壓力的空間分布圖：當(dāng)燒杯先后注入室溫水、60℃熱水和8℃冷水時，壓力單元準(zhǔn)確感知了燒杯重量變化帶來的壓力分布，而溫度單元則清晰顯示了對應(yīng)的溫度變化。整個器件厚度僅約200微米，具有優(yōu)異的柔性和共形貼附能力。此外，該電子皮膚還具備可回收特性，通過簡單的溶解和離心即可回收二氧化釩和液態(tài)金屬，展現(xiàn)了環(huán)保和成本效益。

圖4 | 垂直集成電子皮膚的解耦傳感性能。 a) 單單元和陣列構(gòu)型集成電子皮膚的光學(xué)圖像。 b) 集成前后溫度單元和壓力單元的溫度傳感性能對比。 c) 集成前后溫度單元和壓力單元的壓力傳感性能對比。 d) 集成前后溫度單元的響應(yīng)時間。 e) 集成前后壓力單元的響應(yīng)時間。 f) 集成電子皮膚單元對熱風(fēng)槍、砝碼和裝有熱水的燒杯等熱或壓力刺激的傳感性能。 g) 電子皮膚在不同刺激下的壓力和溫度成像：裝有冷水的燒杯，隨后依次注入熱水和冷水。 h) 通過簡單的溶解和離心實現(xiàn)電子皮膚中液態(tài)金屬和VO?的回收。

該電子皮膚展示了廣泛的應(yīng)用前景。貼在手腕上時，壓力單元可監(jiān)測手腕彎曲程度；貼在喉嚨處，能夠高靈敏度地檢測吞咽動作；集成在口罩中，溫度單元可準(zhǔn)確測量呼吸頻率。研究團(tuán)隊還將傳感器貼附在鋰離子軟包電池表面，實時監(jiān)測充放電過程中的溫度和壓力變化，為電池健康管理和安全保障提供了新的技術(shù)手段。更進(jìn)一步的，研究團(tuán)隊將電子皮膚集成在柔性機械手上，使機器人能夠感知抓取物體的形狀（立方體、球體、圓柱體）、材質(zhì)（樹脂、海綿、紙巾）和溫度（冷水、熱水），展現(xiàn)了在閉環(huán)機器人系統(tǒng)中的巨大潛力。此外，利用電阻抗斷層成像技術(shù)，一塊未圖案化的整片傳感薄膜即可實現(xiàn)高密度的溫度和壓力雙模映射，有效分辨率達(dá)到約210像素/電極，避免了復(fù)雜的電極陣列對準(zhǔn)工藝。

圖5 | 電子皮膚在生理狀態(tài)監(jiān)測、電池健康監(jiān)測、電阻抗斷層成像（EIT）、體表傳感和機器感知中的應(yīng)用演示。 a) 集成電子皮膚監(jiān)測手腕運動。 b) 集成電子皮膚監(jiān)測吞咽動作。 c) 集成電子皮膚監(jiān)測呼吸。 d) 將集成傳感器貼附于鋰離子軟包電池表面，用于充放電循環(huán)過程中的電池健康監(jiān)測。 e) 電子皮膚與織物集成用于體表傳感：(i) 薄型、多路復(fù)用（4×8）、雙感電子皮膚共形貼附于人體指尖和手臂的光學(xué)圖像，以及與織物集成的電子皮膚；(ii) 與織物集成的大面積雙感電子皮膚在自由狀態(tài)和集成于織物狀態(tài)下的傳感性能。 f) 用于單點或雙點按壓以及熱風(fēng)槍熱刺激成像的雙感電阻抗斷層成像接口。 g) 集成電子皮膚賦予軟體機器人感知能力：(i) 集成電子皮膚的軟體夾爪光學(xué)圖像；(ii) 夾爪抓取不同形狀（立方體、圓柱體、球體）、不同溫度（裝有冷水或熱水的燒杯）或不同材質(zhì)（特氟龍、泡沫、紙巾包）物體時的溫度和壓力成像。抓取和釋放循環(huán)重復(fù)三次。

本研究通過精心設(shè)計的機械-電混合網(wǎng)絡(luò)，成功解決了柔性電子皮膚中溫度和壓力信號相互串?dāng)_的根本難題。相同的材料體系和制備工藝使得垂直集成、大面積制備和可回收性成為現(xiàn)實。該電子皮膚的超薄特性、高靈敏度以及大面積溫度/壓力映射能力，可廣泛應(yīng)用于人體生理監(jiān)測、電池健康管理、智能假肢和閉環(huán)機器人系統(tǒng)。研究團(tuán)隊指出，未來的工作將致力于進(jìn)一步優(yōu)化多孔結(jié)構(gòu)以拓展壓力傳感的線性范圍，并通過改進(jìn)重建算法提升電阻抗斷層成像的空間分辨率，推動定制化的健康監(jiān)測和人機接口設(shè)備的發(fā)展。