电子科技大学《自然·通讯》：大面积、超薄、可回收柔性电子皮肤，实现温度与压力解耦双模传感

在机器人、医疗健康监测和人机交互等前沿领域，能够像人体皮肤一样同时感知温度和压力的柔性电子皮肤，一直是科学家们追逐的目标。然而，传统柔性传感器面临两大核心挑战：一是温度和压力信号之间普遍存在“串扰”，即压力变化会干扰温度测量，反之亦然，严重影响了感知精度；二是温度传感器和压力传感器通常采用不同的材料和工艺，难以无缝集成到同一设备中，限制了高密度、大面积阵列化的实现。

针对这些长期存在的瓶颈，电子科技大学林媛教授、朱佳副教授和宾夕法尼亚州立大学程寰宇副教授合作，报道了一种大面积、超薄、可回收且能够实现温度与压力解耦双模传感的柔性电子皮肤。该电子皮肤通过垂直集成相同的纳米复合材料体系，实现了温度不敏感的压力传感和压力不敏感的温度传感，为智能机器人、健康监测和人机交互等领域提供了全新解决方案。相关论文以“Flexible, large-area, recyclable, decoupled dual sensing of temperature and pressure enabled by mechanically-electrically hybrid networks”为题，发表在Nature Communications上。

图1 | 用于解耦温度和压力传感的机械-电混合网络（MEHNs）设计。 a) 受人类皮肤垂直集成、相同组成成分和梯度结构启发的集成电子皮肤示意图。 b) 电子皮肤由温度单元（T-unit）和压力单元（P-unit）垂直堆叠而成，两单元基于相同材料体系。 c) 温度单元和压力单元的解耦传感机制示意图：(i) 温度单元中，VO₂微粒的金属-绝缘体相变（MIT）提供高温度灵敏度，液态金属颗粒作为机械缓冲实现压力不敏感性；(ii) 压力单元中，多孔结构提升压力灵敏度，银纳米颗粒修饰的VO₂微粒实现温度不敏感性。 d) 本工作与其他已报道双模柔性传感器的性能对比，包括小厚度、可规模化、可集成、可回收和简单性。 e) 大面积、高密度双感电子皮肤在人体健康监测、电池健康监测、机器人感知和人机交互中的应用示意图。

研究团队的核心创新在于设计了一种由刚性二氧化钒微粒和柔性液态金属颗粒组成的机械-电混合网络。温度传感单元利用了二氧化钒在室温附近的金属-绝缘体相变特性，其电阻温度系数高达-2.23% K⁻¹，远超传统金属基传感器。更重要的是，通过引入液态金属颗粒作为机械缓冲层，该单元在高达220 kPa的压力下，温度响应变化小于1%，成功实现了压力不敏感的温度测量。实验显示，该单元能够精确检测1 K的微小温度变化，并在动态温度循环和1000次重复压缩后仍保持稳定的响应。

图2 | 温度单元（T-unit）的传感机制与性能。 a) 温度单元传感机制示意图：(i) 初始状态；(ii) 受压时，液态金属颗粒作为机械缓冲保护VO₂导电网络，实现压力不敏感的温度传感。 b) 不同VO₂含量下温度单元对压力的电阻响应（液态金属颗粒:TPU = 2:1）。 c) 不同VO₂含量下温度单元对温度的电阻响应（液态金属颗粒:TPU = 2:1）。 d) 优化后的温度单元在不同温度和压力下的电阻响应。 e) 温度单元对1 K温度梯度的电阻响应。 f) 温度单元在不同温度动态循环下的电阻响应。 g) 温度单元在300 K和307 K之间循环温度变化下的电阻响应。

对于压力传感单元，研究团队在相同材料体系中引入了多孔结构以降低机械刚度，并通过在二氧化钒微粒表面修饰银纳米颗粒来调控其电阻温度系数。由于银纳米颗粒具有正电阻温度系数，而二氧化钒为负值，两者相互抵消后，压力传感单元在298 K至318 K的温度范围内表现出低于0.03%的电阻温度系数，几乎不受温度影响。该单元在0-23 kPa、23-92 kPa和92-220 kPa三个压力范围内分别具有1.21%、0.28%和0.11% kPa⁻¹的灵敏度，并在1000次100 kPa循环压缩后性能无明显衰减。

图3 | 压力单元（P-unit）的传感机制与性能。 a) (i) 多孔纳米复合材料压力单元的传感机制示意图；(ii) 在VO₂微粒（负温度系数）上引入银纳米颗粒（正温度系数）以实现零温度系数的示意图。 b) 不同液态金属颗粒含量下多孔纳米复合材料对温度的电阻响应。 c) 不同银纳米颗粒修饰程度下多孔纳米复合材料对温度的电阻响应。 d) 优化后压力单元的压力传感性能。 e) 压力单元在不同温度下的压力传感性能。 f) 压力单元在不同压力载荷动态循环下的电阻响应。 g) 压力单元在100 kPa压力载荷下循环1000次的电阻响应。

利用两种传感单元相同的材料体系和制备工艺，研究团队实现了温度单元和压力单元的垂直集成，并通过双层电极设计有效避免了电学串扰。集成的4×4阵列电子皮肤能够同时绘制温度和压力的空间分布图：当烧杯先后注入室温水、60℃热水和8℃冷水时，压力单元准确感知了烧杯重量变化带来的压力分布，而温度单元则清晰显示了对应的温度变化。整个器件厚度仅约200微米，具有优异的柔性和共形贴附能力。此外，该电子皮肤还具备可回收特性，通过简单的溶解和离心即可回收二氧化钒和液态金属，展现了环保和成本效益。

图4 | 垂直集成电子皮肤的解耦传感性能。 a) 单单元和阵列构型集成电子皮肤的光学图像。 b) 集成前后温度单元和压力单元的温度传感性能对比。 c) 集成前后温度单元和压力单元的压力传感性能对比。 d) 集成前后温度单元的响应时间。 e) 集成前后压力单元的响应时间。 f) 集成电子皮肤单元对热风枪、砝码和装有热水的烧杯等热或压力刺激的传感性能。 g) 电子皮肤在不同刺激下的压力和温度成像：装有冷水的烧杯，随后依次注入热水和冷水。 h) 通过简单的溶解和离心实现电子皮肤中液态金属和VO₂的回收。

该电子皮肤展示了广泛的应用前景。贴在手腕上时，压力单元可监测手腕弯曲程度；贴在喉咙处，能够高灵敏度地检测吞咽动作；集成在口罩中，温度单元可准确测量呼吸频率。研究团队还将传感器贴附在锂离子软包电池表面，实时监测充放电过程中的温度和压力变化，为电池健康管理和安全保障提供了新的技术手段。更进一步的，研究团队将电子皮肤集成在柔性机械手上，使机器人能够感知抓取物体的形状（立方体、球体、圆柱体）、材质（树脂、海绵、纸巾）和温度（冷水、热水），展现了在闭环机器人系统中的巨大潜力。此外，利用电阻抗断层成像技术，一块未图案化的整片传感薄膜即可实现高密度的温度和压力双模映射，有效分辨率达到约210像素/电极，避免了复杂的电极阵列对准工艺。

图5 | 电子皮肤在生理状态监测、电池健康监测、电阻抗断层成像（EIT）、体表传感和机器感知中的应用演示。 a) 集成电子皮肤监测手腕运动。 b) 集成电子皮肤监测吞咽动作。 c) 集成电子皮肤监测呼吸。 d) 将集成传感器贴附于锂离子软包电池表面，用于充放电循环过程中的电池健康监测。 e) 电子皮肤与织物集成用于体表传感：(i) 薄型、多路复用（4×8）、双感电子皮肤共形贴附于人体指尖和手臂的光学图像，以及与织物集成的电子皮肤；(ii) 与织物集成的大面积双感电子皮肤在自由状态和集成于织物状态下的传感性能。 f) 用于单点或双点按压以及热风枪热刺激成像的双感电阻抗断层成像接口。 g) 集成电子皮肤赋予软体机器人感知能力：(i) 集成电子皮肤的软体夹爪光学图像；(ii) 夹爪抓取不同形状（立方体、圆柱体、球体）、不同温度（装有冷水或热水的烧杯）或不同材质（特氟龙、泡沫、纸巾包）物体时的温度和压力成像。抓取和释放循环重复三次。

本研究通过精心设计的机械-电混合网络，成功解决了柔性电子皮肤中温度和压力信号相互串扰的根本难题。相同的材料体系和制备工艺使得垂直集成、大面积制备和可回收性成为现实。该电子皮肤的超薄特性、高灵敏度以及大面积温度/压力映射能力，可广泛应用于人体生理监测、电池健康管理、智能假肢和闭环机器人系统。研究团队指出，未来的工作将致力于进一步优化多孔结构以拓展压力传感的线性范围，并通过改进重建算法提升电阻抗断层成像的空间分辨率，推动定制化的健康监测和人机接口设备的发展。