傳感器關鍵性能的突破往往可以帶來新的技術革命。近年來仿生機器人技術、人造假肢技術和可穿戴健康監(jiān)護設備的發(fā)展引起了人們對超高靈敏柔性溫度傳感器的極大興趣。在醫(yī)療健康領域內(nèi)，100 毫開爾文（mK）是識別由于受傷、感染或劇烈運動影響引起體溫變化所需的最低溫度靈敏度要求。對于平衡紊亂、精神緊張或睡眠不足引起的微小病理生理熱變化的監(jiān)測則需要更高的溫度靈敏度。此外，要模仿人類的觸覺，人造皮膚必須具備與人體皮膚相同或更高的溫度靈敏度（20 mK）。當溫度靈敏度達到 mK 水平時，人造皮膚甚至可以超越人體皮膚，具有像蛇（3 mK）和鯊魚（1 mK）一樣感知熱輻射和熱蹤跡的能力。

近日，吉林大學電子科學與工程學院張彤教授團隊開發(fā)了一款用于高精度人體體溫監(jiān)測和仿生溫覺感知的超高靈敏度柔性溫度傳感器。該工作基于人體皮膚熱感知工作原理，提出利用非對稱聚合物雙層（APB）中熱誘導陽離子跨膜遷移機制實現(xiàn)超靈敏溫度傳感以實現(xiàn)對于微小溫度變化的檢測。由于其獨特的工作機制，溫度升高可使傳感器的電學性質由非離子聚合物類型向離子導電聚合物類型轉變，這種導電機制的變化使得傳感器的電阻在較小溫度范圍內(nèi)發(fā)生跨量級變化（圖1c）。

圖1 仿生溫度傳感器：（a）人體皮膚熱感受器工作機理（b）APB聚電解質雙層結構示意圖（c）APB溫度傳感機制示意圖

該工作研究了影響非對稱聚合物雙層溫敏性能的關鍵因素（圖2a-c）。研究發(fā)現(xiàn)傳感器溫度響應隨著非離子導電聚合物層厚度先增加后降低，這是由于非離子導電聚合物層厚度的增大提高了離子遷移能量勢壘。APB傳感器在10-60℃溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)出典型的阿倫尼烏茲行為，經(jīng)過擬合，其具有良好的線性度（R2>0.99）和高的熱指數(shù)（B=10128 K）（圖2d）。另外，與目前已報道的柔性溫度傳感器相比，傳感器具有超高的溫度靈敏度（1.42 mK）和較大的電阻溫度系數(shù)（11.25%/℃），同時傳感器還展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性（圖2e-g）。

圖2 APB傳感器的溫度傳感特性

與人體皮膚觸摸物體判斷其材質的工作機制類似，該工作驗證了APB傳感器可以賦予機械手識別物體材質的能力（圖3a）。得益于APB傳感器優(yōu)良的傳感表現(xiàn)，傳感器可以捕捉到仿生機械手（37℃）接觸物體時伴隨的熱量交換過程，并且接觸具有不同導熱率材質的物體時傳感器測量曲線具有不同的斜率最大值（圖3b-d）。

因此，將斜率最大值作為特征量有望實現(xiàn)機械手對不同物體的材質識別。使用機械手對九種不同材質的物體分別抓握100次，將獲得的特征量使用五折交叉驗證法劃分為訓練集和驗證集，使用分類學習算法對數(shù)據(jù)進行機器學習，可以準確分辨出相同形狀不同材質的各種物體，準確率為99.9%（圖3e-i）。將APB溫度傳感器集成到人造皮膚中可以提升仿生機械手人工觸覺的維度，進一步完善其功能；為實現(xiàn)更高水平的機器人智能仿生活動提供可能。

圖3 APB傳感器在實現(xiàn)機械手在物體材質識別上的應用

該工作以“Ultrasensitive Flexible Temperature Sensors Based on Thermal-Mediated Ions Migration Dynamics in Asymmetrical Polymer Bilayers”為題在國際著名期刊ACS Nano上在線發(fā)表。吉林大學電子科學與工程學院李凡博士為第一作者，通訊作者為張彤教授和趙紅然副教授。

上述工作是該團隊近期關于可穿戴柔性傳感器的最新進展之一。吉林大學微納傳感材料與器件實驗室（SMDLAB）長期致力于面向工業(yè)生產(chǎn)安全、環(huán)境污染、人體健康以及家居環(huán)境等領域的氣體、濕度、壓力、溫度、生物分子等傳感檢測，開展微納米傳感材料的設計和制備、傳感器的結構設計以及應用開發(fā)。相關成果還發(fā)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。

審核編輯：劉清