電子科技大學《自然·通訊》：大面積、超薄、可回收柔性電子皮膚，實現溫度與壓力解耦雙模傳感

在機器人、醫療健康監測和人機交互等前沿領域，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，一直是科學家們追逐的目標。然而，傳統柔性傳感器面臨兩大核心挑戰：一是溫度和壓力信號之間普遍存在“串擾”，即壓力變化會干擾溫度測量，反之亦然，嚴重影響了感知精度；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備中，限制了高密度、大面積陣列化的實現。

針對這些長期存在的瓶頸，電子科技大學林媛教授、朱佳副教授和賓夕法尼亞州立大學程寰宇副教授合作，報道了一種大面積、超薄、可回收且能夠實現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合材料體系，實現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、健康監測和人機交互等領域提供了全新解決方案。相關論文以“Flexible, large-area, recyclable, decoupled dual sensing of temperature and pressure enabled by mechanically-electrically hybrid networks”為題，發表在Nature Communications上。

圖1 | 用于解耦溫度和壓力傳感的機械-電混合網絡（MEHNs）設計。 a) 受人類皮膚垂直集成、相同組成成分和梯度結構啟發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，液態金屬顆粒作為機械緩沖實現壓力不敏感性；(ii) 壓力單元中，多孔結構提升壓力靈敏度，銀納米顆粒修飾的VO?微粒實現溫度不敏感性。 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、可規模化、可集成、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測、電池健康監測、機器人感知和人機交互中的應用示意圖。

研究團隊的核心創新在于設計了一種由剛性二氧化釩微粒和柔性液態金屬顆粒組成的機械-電混合網絡。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，其電阻溫度系數高達-2.23% K?1，遠超傳統金屬基傳感器。更重要的是，通過引入液態金屬顆粒作為機械緩沖層，該單元在高達220 kPa的壓力下，溫度響應變化小于1%，成功實現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，并在動態溫度循環和1000次重復壓縮后仍保持穩定的響應。

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；(ii) 受壓時，液態金屬顆粒作為機械緩沖保護VO?導電網絡，實現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（液態金屬顆粒:TPU = 2:1）。 c) 不同VO?含量下溫度單元對溫度的電阻響應（液態金屬顆粒:TPU = 2:1）。 d) 優化后的溫度單元在不同溫度和壓力下的電阻響應。 e) 溫度單元對1 K溫度梯度的電阻響應。 f) 溫度單元在不同溫度動態循環下的電阻響應。 g) 溫度單元在300 K和307 K之間循環溫度變化下的電阻響應。

對于壓力傳感單元，研究團隊在相同材料體系中引入了多孔結構以降低機械剛度，并通過在二氧化釩微粒表面修飾銀納米顆粒來調控其電阻溫度系數。由于銀納米顆粒具有正電阻溫度系數，而二氧化釩為負值，兩者相互抵消后，壓力傳感單元在298 K至318 K的溫度范圍內表現出低于0.03%的電阻溫度系數，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) 多孔納米復合材料壓力單元的傳感機制示意圖；(ii) 在VO?微粒（負溫度系數）上引入銀納米顆粒（正溫度系數）以實現零溫度系數的示意圖。 b) 不同液態金屬顆粒含量下多孔納米復合材料對溫度的電阻響應。 c) 不同銀納米顆粒修飾程度下多孔納米復合材料對溫度的電阻響應。 d) 優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循環下的電阻響應。 g) 壓力單元在100 kPa壓力載荷下循環1000次的電阻響應。

利用兩種傳感單元相同的材料體系和制備工藝，研究團隊實現了溫度單元和壓力單元的垂直集成，并通過雙層電極設計有效避免了電學串擾。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：當燒杯先后注入室溫水、60℃熱水和8℃冷水時，壓力單元準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的溫度變化。整個器件厚度僅約200微米，具有優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金屬，展現了環保和成本效益。

圖4 | 垂直集成電子皮膚的解耦傳感性能。 a) 單單元和陣列構型集成電子皮膚的光學圖像。 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時間。 e) 集成前后壓力單元的響應時間。 f) 集成電子皮膚單元對熱風槍、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電子皮膚中液態金屬和VO?的回收。

該電子皮膚展示了廣泛的應用前景。貼在手腕上時，壓力單元可監測手腕彎曲程度；貼在喉嚨處，能夠高靈敏度地檢測吞咽動作；集成在口罩中，溫度單元可準確測量呼吸頻率。研究團隊還將傳感器貼附在鋰離子軟包電池表面，實時監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手段。更進一步的，研究團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（樹脂、海綿、紙巾）和溫度（冷水、熱水），展現了在閉環機器人系統中的巨大潛力。此外，利用電阻抗斷層成像技術，一塊未圖案化的整片傳感薄膜即可實現高密度的溫度和壓力雙模映射，有效分辨率達到約210像素/電極，避免了復雜的電極陣列對準工藝。

圖5 | 電子皮膚在生理狀態監測、電池健康監測、電阻抗斷層成像（EIT）、體表傳感和機器感知中的應用演示。 a) 集成電子皮膚監測手腕運動。 b) 集成電子皮膚監測吞咽動作。 c) 集成電子皮膚監測呼吸。 d) 將集成傳感器貼附于鋰離子軟包電池表面，用于充放電循環過程中的電池健康監測。 e) 電子皮膚與織物集成用于體表傳感：(i) 薄型、多路復用（4×8）、雙感電子皮膚共形貼附于人體指尖和手臂的光學圖像，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和集成于織物狀態下的傳感性能。 f) 用于單點或雙點按壓以及熱風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（特氟龍、泡沫、紙巾包）物體時的溫度和壓力成像。抓取和釋放循環重復三次。

本研究通過精心設計的機械-電混合網絡，成功解決了柔性電子皮膚中溫度和壓力信號相互串擾的根本難題。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，可廣泛應用于人體生理監測、電池健康管理、智能假肢和閉環機器人系統。研究團隊指出，未來的工作將致力于進一步優化多孔結構以拓展壓力傳感的線性范圍，并通過改進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測和人機接口設備的發展。