在仿生傳感技術快速發展的背景下，電子皮膚在壓力、溫度和應變檢測方面取得了顯著進展，使人類與機器的交互、軟體機器人和智能假肢更接近生物性能。然而，現有的熱敏傷害感受電子皮膚大多僅依賴電信號輸出，難以提供關于熱損傷空間分布和累積程度的充分信息。尤其值得關注的是，柔性熱電材料雖然能將溫度梯度直接轉換為電壓信號，但其大面積應用面臨一個關鍵瓶頸：熱源接觸面積的變化會導致輸出電壓顯著偏差，產生“面積誘導的模糊性”——一個小面積的高溫刺激與一個大面積的溫和溫度刺激可能產生完全相同的電信號，僅憑電壓無法區分二者。此外，傳統熱傳感器通常檢測瞬時溫度，而組織損傷程度卻由溫度和暴露時間共同決定，這使得現有電子皮膚難以同時感知疼痛和評估損傷。

為解決上述挑戰，深圳大學陳光明教授、杜春雨副研究員和中國科學院大學?郭存悅副教授?合作開發了一種雙模態雙層電子皮膚，集成了基于單壁碳納米管的熱電層和基于聚集誘導發射發光體的光致發光層。底層的熱電層作為快速響應的傷害感受器，將溫度梯度轉換為電壓編碼的“疼痛”信號；頂層的AIE層則通過光致發光猝滅提供與接觸面積無關的熱場光學映射，無需復雜計算即可直接解耦溫度與接觸面積。該集成平臺實現了實時損傷可視化、超過97%的高精度溫度識別以及可靠的類傷害感受傳感功能，并經仿生機器人反射系統驗證，為動態熱環境下的智能安全保護和增強人機交互提供了穩健的解決方案。相關論文以“Bimodal Thermoelectric/AIE E-Skin Decouples Contact-Area Ambiguity for Concurrent Pain Perception and Injury Mapping”為題，發表在Advanced Materials上。

仿生設計與雙層結構

受人體皮膚熱損傷時表皮出現紅斑和腫脹、真皮傷害感受器產生電信號的生物機制啟發，研究團隊設計了一種仿生雙層電子皮膚。頂部光致發光層由4BrTPE/TPU復合材料構成，基于聚集誘導發射機制，通過熱誘導的光致發光猝滅來模擬損傷后的紅斑，并能精準記錄熱源的空間接觸足跡。底部熱電層則采用4BrTPE/SWCNT復合材料，利用熱電效應模擬傷害感受器在熱刺激下的電信號產生過程，同時通過能量過濾效應增強傳感靈敏度。這種分層結構完整地再現了皮膚對熱損傷的整合響應，實現了表皮空間可視化與真皮時間傳感的有機統一。

圖1 | 仿生雙層電子皮膚及應用的示意圖 （A）電子皮膚的生物啟發熱傷害感受器結構。 （B）（i）光致發光層溫度依賴的PL強度機制。（ii）熱電層溫度依賴的電壓響應和能量過濾效應示意圖。 （C）電子皮膚的應用場景：（i）損傷可視化；（ii）溫度識別；（iii）類傷害感受傳感。

光致發光層的溫度傳感性能

研究團隊對AIE材料4BrTPE/TPU薄膜的光致發光性能進行了系統表征。CIE色度圖顯示，與TPE相比，4BrTPE的引入使發光產生顯著紅移，從藍色區域移至綠色富集區域，這得益于溴原子介導的超分子相互作用實現了分子級均勻分散。在-30°C至75°C的溫度范圍內，該薄膜的PL強度呈現顯著的溫度依賴性，隨著溫度升高逐漸衰減，而發射波長保持穩定。450 nm處的發射強度與溫度之間表現出優異的線性關系，適合定量熱傳感。經過500次連續加熱-冷卻循環后，PL強度仍保持初始值的約85%，僅衰減15%，表明TPU基質有效穩定了4BrTPE分子，即使在長期熱應力下也能保持分子內旋轉受限效應。實際圖案測試表明，與紅外熱成像相比，PL成像能提供更精細的空間信息，且在潮濕、降水、太陽輻射等惡劣環境條件下具有更強的抗干擾能力。

熱電層的性能優化與機械穩定性

熱電性能對熱傷害感受器的靈敏度至關重要。研究顯示，隨著4BrTPE含量的增加，電導率先降低后在40 wt.%以上穩定在550 S/cm，而塞貝克系數在相同組成下達到55 μV/K。這一熱電增強是四溴取代結構特有的分子特異性現象，與溴化程度精確相關。熱導率從原始SWCNT薄膜的27 W/m·K大幅降至復合材料的2.4 W/m·K，結合優化的功率因子，使熱電優值ZT從0.001提升至0.02，提高了20倍。UPS和DFT計算證實，4BrTPE的引入建立了0.41 eV的界面能壘，選擇性抑制低能載流子的輸運，從而有效提高塞貝克系數。在機械性能方面，4BrTPE/TPU/SWCNT復合材料的斷裂應變提升至16%、應力達14 MPa，且在10 K固定溫度梯度下連續拉伸時，輸出電壓穩定保持在約0.5 mV直至斷裂點，表明熱電信號與機械形變有效解耦。經過500次拉伸循環和1000次快速加熱-冷卻循環后，材料性能衰減小于5%，展現出優異的長期耐久性。

圖2 | TPE衍生物薄膜的光致發光和熱電性能 （A）TPE衍生物薄膜的CIE色度圖。標簽對應：（1）TPE，（2）4BrTPE，（3）TPE/TPU復合薄膜，（4）4BrTPE/TPU復合薄膜。 （B）TPU和4BrTPE/TPU薄膜的FTIR光譜。 （C）4BrTPE/TPU薄膜在450 nm激發波長下的溫度依賴發射光譜。 （D）4BrTPE/TPU薄膜在450 nm處的PL強度與不同溫度的關系。 （E）4BrTPE/TPU薄膜的熱電參數。 （F）SWCNT和4BrTPE/SWCNT的UPS光譜。

仿生傷害感受特征

研究團隊系統評估了熱電層對生物傷害感受關鍵特征的模擬能力。在熱痛閾值方面，該電子皮膚在50°C（ΔT=25 K）時產生1.25 mV的輸出電壓，在60°C（ΔT=35 K）時產生1.75 mV的輸出電壓，0.50 mV的明確差異實現了對安全與危險熱條件的清晰區分，且輸出與溫度呈強線性關系。在非適應性方面，當反復受到60°C熱源刺激時，復合材料電子皮膚在多周期內保持穩定的1.90 mV電壓輸出，信號漂移低于初始值的1.5%，成功模擬了生物熱傷害感受器對持續有害刺激的持續警覺特性。在雙向感知方面，該電子皮膚在60°C熱源和-10°C冷源交替刺激下均能保持穩定電壓輸出，功能性地模擬了冷傷害感受器。在恢復時間方面，對于35°C和15°C的中等刺激，平均恢復時間為12-15秒；即使對于60°C和-10°C的極端條件，恢復時間也保持在30秒以內（平均25-28秒），確保了高頻機器人傳感任務的快速響應能力。

圖3 | 傷害感受特征 （A）熱傷害感受閾值特征。 （B）溫差與電壓之間的線性關系。 （C）電子皮膚在60°C（環境溫度25°C）下的非適應特征。 （D）60°C和-10°C下的輸出電壓（環境溫度25°C）。 （E）35、50和60°C下的恢復時間（環境溫度25°C）。 （F）15、0和-10°C下的恢復時間（環境溫度25°C）。

仿生反射弧與機器人集成

為展示實際應用能力，研究團隊構建了一個集成了機器人操縱臂的仿生反射控制系統。預設電壓閾值為1 mV（對應ΔT≈20°C），低于此閾值為無害刺激，高于此閾值則微控制器立即觸發機械臂回縮指令。在35°C無害接觸下，產生的0.5 mV電壓低于閾值，機械臂保持接觸，PL強度保持穩定。在50°C痛閾刺激下，電壓超過1 mV閾值，機械臂在4.4秒延遲后觸發保護性回縮反射，同時PL強度顯著減弱，視覺模擬了組織損傷的起始。在60°C燒傷危險刺激下，回縮反射僅需2.2秒即可觸發，響應時間縮短了一半，有效減少了對嚴重危害的暴露時間，同時PL層表現出顯著猝滅，在指尖留下清晰的“損傷”嚴重程度視覺記錄。在冷刺激驗證中，0°C冷凍刺激在4.9秒觸發回縮反射，-10°C刺激的響應時間縮短至2.1秒。50次獨立試驗的統計分析顯示，反射潛伏期與熱偏差幅度呈明確的反比關系，證實了該傷害感受系統的高靈敏度和確定性邏輯。

圖4 | 傷害感受器與疼痛響應系統 （A）機械臂仿生傷害感受反射控制系統的示意圖。 （B）35°C熱刺激接觸電子皮膚模塊后，機械臂食指的狀態、PL圖像和產生的電壓信號。 （C）50°C熱刺激接觸電子皮膚模塊后，機械臂食指的狀態、PL圖像和產生的電壓信號。 （D）60°C熱刺激接觸電子皮膚模塊后，機械臂食指的狀態、PL圖像和產生的電壓信號。

雙模態集成解耦策略

熱電裝置輸出電壓受總熱通量控制，而總熱通量高度依賴于有效接觸面積，這導致了關鍵的“多對一”映射問題：大接觸面積的溫和刺激可能產生與小面積危險刺激相當甚至更高的電壓信號。為從根本上解決這一問題，研究團隊建立了線性控制模型：ΔT = (A_max·V)/(S·A)，其中A_max為校準的總模塊面積，V為測量電壓，S為塞貝克系數，A為從PL熒光映射中提取的實時接觸面積。該模型通過不同溫度和接觸幾何形狀的熱刺激得到嚴格驗證。在3×3像素化電子皮膚陣列的演示中，對于相同接觸面積但不同溫度的熱源，原始電壓變化很大，但利用PL圖像導出的接觸面積映射，計算得到的溫度與真實溫度高度吻合。對于不規則的H形熱源，系統在60°C（燒傷）、50°C（熱痛）、0°C（冷痛）和-10°C（凍傷）四個關鍵溫度區間的50次試驗中，識別準確率超過97%。這表明電信號與空間分辨光學反饋的融合有效消除了單模傳感器中固有的面積誘導信號模糊性。

圖5 | 接觸面積與熱刺激的解耦策略 （A）不同接觸面積和溫度下熱電電壓信號的示意圖。 （B）基于熱電（TE）和光致發光（PL）雙模態耦合的溫度映射過程。 （C）（i）不同溫度刺激的電壓信號。（ii）不同溫度刺激的PL圖像。（iii）不同溫度刺激的溫度映射。 （D）（i）來自60°C熱源的電壓信號。（ii）來自60°C熱源的提取溫度映射。（iii）光致發光圖像。 （E）熱刺激識別的混淆矩陣。

總結與展望

綜上所述，該雙模態電子皮膚從根本上克服了熱電傳感中長期存在的接觸面積模糊性挑戰。通過將快速響應的熱電傷害感受器與空間分辨的AIE光學層協同集成，系統實現了精確、實時的傷害感受感知與原位熱損傷可視化。接觸幾何的直接光學映射有效解耦了電壓信號中的面積誘導偽影，即使在復雜接觸條件下也能實現97%的高溫度識別準確率。這種穩健性在-10°C至60°C的寬熱窗口內得以保持，具有雙向敏感性和快速信號恢復能力（<30秒）。經機器人反射弧驗證，該平臺展示了類似人類的“感知-行動-可視化”能力，確保了對有害刺激的即時自我保護。該工作為構建智能人工感受器界面建立了穩健且可擴展的范式，在提升下一代軟體機器人和人機系統的安全性、環境感知能力和自適應性能方面具有重要潛力。