研究背景：
溫覺是生物體獲取環(huán)境信息的重要感知途徑。生物體皮膚中的熱受體具備毫開爾文級的溫度分辨能力，通過與外界持續(xù)的熱交換，從細微的表皮溫度變化中獲取豐富的熱線索，例如陽光的溫暖、微風的涼意、潮濕環(huán)境的悶熱以及木材與金屬觸感上的冷暖差異。這種以“熱”為核心的多維環(huán)境認知能力，是生物體實現(xiàn)環(huán)境交互的重要基礎（如圖1）。
圖1. 生物體溫覺系統(tǒng)示意圖
與之相比，現(xiàn)有機械系統(tǒng)的溫度感知主要基于傳感器獲取的“絕對溫度”。無論是在可解析的環(huán)境信息豐富度，還是在捕捉細微溫度變化的能力上，人工系統(tǒng)與生物體之間仍存在顯著差距。若要使人工系統(tǒng)能夠像生物體一樣“理解”溫度，而非停留在“測量”溫度的層面，亟需突破兩個核心瓶頸：一是構建具有生物級靈敏度的人工熱受體，二是發(fā)展超越絕對溫度檢測范式的全新溫度感知策略，使人工系統(tǒng)能夠通過熱交換過程獲取更全面的環(huán)境線索。
研究工作：
針對上述問題，吉林大學電子科學與工程學院張彤教授團隊提出了一種以離子載流子能量景觀調控為核心的新型離電式傳感材料構筑策略。研究通過在聚合物電解質中引入可控離子勢阱，使離子導電材料呈現(xiàn)出類似“連續(xù)能級”的結構化能量景觀，從而實現(xiàn)類似于傳統(tǒng)半導體中載流子受熱激發(fā)的載流子熱調制機制（圖2）。具體而言，團隊在聚乙烯醇（PVA）基體中均勻分散聚苯乙烯磺酸鈉（PSSNa）亞微球。由于這些亞微球攜帶固定負電荷，它們會在局域形成深勢阱，驅動可遷移陽離子圍繞其形成徑向分布的“球形離子云”。隨著溫度升高，勢阱中的離子載流子發(fā)生重新分布并躍遷至更高能態(tài)，使有效載流子濃度隨溫度呈指數(shù)式提升。基于該機制構建的柔性人工熱受體對低至1.2 mK的細微溫差即可產生響應，靈敏度達到迄今柔性溫度傳感器領域已報道的最高水平。
圖2. 人工熱受體溫敏機制示意圖
在此基礎上，研究團隊進一步實現(xiàn)了人工熱受體的陣列化，并將其與柔性加熱層和水凝膠散熱層共同集成，構建出仿生“離子皮膚”（圖3）。該人工皮膚通過監(jiān)測外部刺激對內部熱平衡的擾動，可同時解析多類環(huán)境熱物理線索，不僅能夠讀取絕對溫度，還能夠識別風速、濕度、光照、液體蒸發(fā)效率及材料導熱性等信息，展現(xiàn)出高度接近生物皮膚的多模態(tài)熱感知能力。
圖3. 仿生離子皮膚結構示意圖
研究成果以“Energy landscape–engineered iontronics enable artificial thermoreceptors for augmented bioinspired thermosensation”為題發(fā)表于Science Advances雜志。論文第一作者為李凡博士，共同通訊作者是吉林大學張彤教授和趙紅然副教授。
創(chuàng)新突破：
本研究的核心創(chuàng)新在于提出并實現(xiàn)了一種以能量景觀調控為基礎的普適性離子熱敏增強機制。通過構建結構化的電荷勢阱分布，離子材料獲得了類似半導體能帶的連續(xù)能級結構，使熱激發(fā)載流子行為首次在柔性離子導體中得以實現(xiàn)，從而大幅提升溫度響應性能。基于該機制構建的人工熱受體突破了傳統(tǒng)離電式溫敏材料依賴化學基團的局限，使高靈敏度與材料可設計性兼具，為離子電子器件發(fā)展提供了新的物理基礎。
同時，研究團隊首次展示了人工皮膚對多種熱物理線索進行統(tǒng)一解析的能力，使人工系統(tǒng)能夠從溫度信號中“反演”環(huán)境濕度、風速、光照、材料導熱性和蒸發(fā)效率等信息，大幅縮小了人工傳感與生物熱知覺之間的差距，推動人工皮膚從“測溫設備”向“環(huán)境理解系統(tǒng)”邁進。
研究意義及展望：
基于能量景觀調控的離子電子學為人工熱受體和仿生感知系統(tǒng)提供了一個可擴展、可設計、具有高度普適性的全新框架。未來，通過調控離子種類、勢阱結構或引入多尺度電荷域，該策略有望擴展到離子邏輯運算、離子神經形態(tài)器件及智能機器人皮膚等更廣泛領域。在應用層面，這一技術將為柔性可穿戴設備、健康監(jiān)測、材料識別、環(huán)境感知和人機交互等方向提供全新的技術可能，為構建具備類生物感知能力的人工系統(tǒng)奠定重要基礎。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.ady2547
延伸閱讀：
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