基于人體皮膚熱感知原理的超高靈敏度柔性溫度傳感器開(kāi)發(fā)

傳感器關(guān)鍵性能的突破往往可以帶來(lái)新的技術(shù)革命。近年來(lái)仿生機器人技術(shù)、人造假肢技術(shù)和可穿戴健康監護設備的發(fā)展引起了人們對超高靈敏柔性溫度傳感器的極大興趣。在醫療健康領(lǐng)域內，100 毫開(kāi)爾文（mK）是識別由于受傷、感染或劇烈運動(dòng)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測則需要更高的溫度靈敏度。此外，要模仿人類(lèi)的觸覺(jué)，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(shí)，人造皮膚甚至可以超越人體皮膚，具有像蛇（3 mK）和鯊魚(yú)（1 mK）一樣感知熱輻射和熱蹤跡的能力。

近日，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院張彤教授團隊開(kāi)發(fā)了一款用于高精度人體體溫監測和仿生溫覺(jué)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(chēng)聚合物雙層（APB）中熱誘導陽(yáng)離子跨膜遷移機制實(shí)現超靈敏溫度傳感以實(shí)現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(xué)性質(zhì)由非離子聚合物類(lèi)型向離子導電聚合物類(lèi)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(chēng)聚合物雙層溫敏性能的關(guān)鍵因素（圖2a-c）。研究發(fā)現傳感器溫度響應隨著(zhù)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℃溫度范圍內展現出典型的阿倫尼烏茲行為，經(jīng)過(guò)擬合，其具有良好的線(xiàn)性度（R2>0.99）和高的熱指數（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（11.25%/℃），同時(shí)傳感器還展現出良好的循環(huán)穩定性（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(lèi)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A(yíng)PB傳感器優(yōu)良的傳感表現，傳感器可以捕捉到仿生機械手（37℃）接觸物體時(shí)伴隨的熱量交換過(guò)程，并且接觸具有不同導熱率材質(zhì)的物體時(shí)傳感器測量曲線(xiàn)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(shí)現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(lèi)學(xué)習算法對數據進(jìn)行機器學(xué)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(jué)的維度，進(jìn)一步完善其功能；為實(shí)現更高水平的機器人智能仿生活動(dòng)提供可能。

圖3 APB傳感器在實(shí)現機械手在物體材質(zhì)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(zhù)名期刊ACS Nano上在線(xiàn)發(fā)表。吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)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(jìn)展之一。吉林大學(xué)微納傳感材料與器件實(shí)驗室（SMDLAB）長(cháng)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(kāi)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(kāi)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