傳感器關(guān)鍵性能的突破往往可以帶來新的技術(shù)革命。近年來仿生機器人技術(shù)、人造假肢技術(shù)和可穿戴健康監(jiān)護設(shè)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(lǐng)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(dǎo)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(zhì)由非離子聚合物類型向離子導(dǎo)電聚合物類型轉(zhuǎn)變，這種導(dǎo)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(zhì)雙層結(jié)構(gòu)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(guān)鍵因素（圖2a-c）。研究發(fā)現(xiàn)傳感器溫度響應(yīng)隨著非離子導(dǎo)電聚合物層厚度先增加后降低，這是由于非離子導(dǎo)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(zhì)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(zhì)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(dǎo)熱率材質(zhì)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(zhì)識別。使用機械手對九種不同材質(zhì)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(zhì)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(zhì)識別上的應(yīng)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(guān)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(lǐng)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(shè)計和制備、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及應(yīng)用開發(fā)。相關(guān)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