近日，南方科技大学材料科学与工程系教授刘玮书课题组及合作者，在热功能皮肤领域再次取得重要突破，相关论文以“Heat source recognition sensor mimicking the thermosensation function of human skin”为题在The Innovation期刊上发表。

该研究提出了新颖的热源识别传感器（hsr sensor），能够实现对辐射、对流和传导等各种情况下热源识别的类皮肤热感知功能，改变了对热感知仍然停留于温度测量的传统认知。该传感器基于离子弛豫现象能够同时实现温度、接近和压力传感功能，通过结合不同的传感信号组合，实现对不同热源的识别热源识。

热源识别的设计灵感来源于人类皮肤对热环境的多维感知能力，包括感知温度值、热源、能量水平和持续时间等。与现有只能测量基本温度值的热传感器不同，热源识别传感器能够感应温度、压力和接近刺激信号，并区分不同类型的热源，如辐射、对流和传导。这一突破性的技术赋予机器人更为精细和复杂的温度感知能力，为进一步研发智能机器人和假肢的仿生电子皮肤提供了可靠的解决方案。

图1 热源识别传感器能够准确识别辐射、对流和传导三种热源

基于离子的弛豫现象同时具备对温度、接近和压力三种信号的传感功能，其中离子弛豫时间 (𝜏)是一个材料的本征参数，只对温度变化有反应，不受其他信号影响，因此适合检测温度。基于PBA-Li:nFSI(n=1,3,5)离子热电凝胶传感器具有超高的检测灵敏度，能够感知0.005°C的温度变化，并在-20°C至180°C的超宽温度范围内保持线性响应。此外，热源识别传感器的平行板电容结构受电场和形变影响，其归一化电容变化ΔC/C0对压力和接近刺激也展现出高灵敏度和快速响应时间，能够准确实现区分辐射、对流和传导热源（图1）。

图2  具有类似人类皮肤热感应功能的机器人

研究团队将热源识别传感器集成到一个覆有恒温调节功能的电子皮肤假肢中(图2)，并通过机器人实验展示了其类似人类皮肤的热感应功能，能够识别热环境的多维信息，如温度值、舒适度级别和热源信号。热源识别传感器在实际应用中表现出了卓越性能，无论是检测模拟阳光下的辐射热源、应对吹风机产生的对流热源，还是握手模拟的传导热源，传感器均能准确识别并反馈相应的信号。

南科大材料科学与工程系硕士研究生孙文婷，博士研究生张澎祥为该论文的共同第一作者，南方科技大学教授刘玮书和香港理工大学教授郑子剑为该论文的共同通讯作者，南科大为论文第一单位。该研究得到了深圳市杰出青年创新计划项目、广东省科技厅、腾讯基金会、香港理工大学和RGC高级研究学者计划的资助。

刘玮书课题组长期致力于微小温差热电转换的新应用，热功能皮肤充分展示微小温差热利用的价值。2022年，刘玮书课题组报道世界上第一款具有宽环境温域下恒温调控的热功能皮肤。2023年进一步研发出具有汗腺仿生的长时间恒温热功能皮肤。对于最新的热源识别传感成果，刘玮书教授还提到，“具有热源识别传感的热功能皮肤未来有望在情感交互领域开拓更多创新应用”。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100673

供稿单位：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

主图：丘妍

编辑：任奕霏