皮膚是人體與外界交互的關(guān)鍵界面和天然屏障。它不僅提供物理保護，其精妙的感知機制—如通過帕西尼小體感受壓力、通過溫覺受體分辨冷暖以及可形變的褶皺結(jié)構(gòu)和梯度模量，使人類能夠精細地感知并響應(yīng)外界刺激。然而，腦卒中等神經(jīng)疾病的高發(fā)（尤其是在老齡化趨勢下），常導(dǎo)致患者出現(xiàn)觸覺感知障礙。這種障礙使他們難以識別溫度變化（易燙傷）、無法精準控制抓握力度（易捏碎物品），嚴重影響了日常生活質(zhì)量和安全。此外，現(xiàn)有智能假肢配備的電子觸覺傳感器（如摩擦電、電容、壓阻式）在實用化中面臨顯著挑戰(zhàn)：需外接電源、難以可靠識別材料特性（尤其對電學(xué)屬性相似的物體）、易受開放環(huán)境干擾，且缺乏在非預(yù)設(shè)壓力條件下實現(xiàn)自監(jiān)督感知的能力。
圖1. 仿生多模指尖受體設(shè)計
受皮膚結(jié)構(gòu)和感知原理的雙重啟發(fā)，太原理工大學(xué)集成電路學(xué)院張虎林教授團隊在《Advanced Science》發(fā)表重要研究成果。他們開發(fā)出一種基于梯度微圖案化熱電水凝膠的仿生指尖受體，其核心創(chuàng)新在于模擬了皮膚對溫度和壓力的并行感知機制（溫壓雙通道），并巧妙利用生活中觸摸不同物體產(chǎn)生的“冷熱感覺”物理原理來實現(xiàn)材料識別。這項工作的靈感直接源于日常體驗：觸摸金屬感到?jīng)觯且驗闊崃勘谎杆賹?dǎo)走；觸摸泡沫感到暖，則是熱量在界面堆積。研究團隊將這種由材料熱屬性差異引發(fā)的瞬時溫差動態(tài)過程，轉(zhuǎn)化為識別材料的關(guān)鍵信號（圖1）。
圖2. 凝膠機械性能調(diào)控與表征
圖3. 熱電凝膠主動壓阻敏感機制和性能
水凝膠表面具有類似皮膚褶皺的金字塔微結(jié)構(gòu)，內(nèi)部則具有梯度模量，使其具備超高壓力靈敏度（53.6 kPa-1）、快響應(yīng)（110 ms）和寬量程（0-500 kPa），同時異常堅韌（韌性26.22 MJ m-3）（圖2）。該凝膠受體的“自驅(qū)動”能力源于人體皮膚持續(xù)散發(fā)的熱量。熱電水凝膠通過熱伏效應(yīng)可將人體熱量轉(zhuǎn)化為電能，利用主動壓阻效應(yīng)直接“無源”地將壓力感知轉(zhuǎn)化為可探測的電信號，而無需外部供電（圖3）。當受體接觸物體時，材料的熱擴散能力不同，會導(dǎo)致凝膠冷熱端溫差變化速度（電壓變化率）顯著不同。受“冷熱感覺”原理啟發(fā)，通過監(jiān)測凝膠電壓變化率，受體能在短短80毫秒內(nèi)（最快40毫秒）識別出材料特性，極大提高了材料識別速度和效率。
圖4. 深度學(xué)習賦能自監(jiān)督觸覺感知
為了實現(xiàn)開放環(huán)境下的可靠感知，團隊仿照皮膚同時處理多種信號的能力，設(shè)計了雙通道策略：一個通道實時監(jiān)測壓力（主動壓阻效應(yīng)），另一個通道監(jiān)測溫度相關(guān)的熱電信號及其變化率。結(jié)合智能算法，系統(tǒng)能自動補償壓力對熱電信號的干擾，最終在隨機按壓條件下實現(xiàn)了高達95.5%的識別準確率，真正做到了自監(jiān)督觸覺感知（圖4）。這項融合了皮膚仿生結(jié)構(gòu)和溫壓雙通道感知原理，為感覺障礙患者的觸覺功能重建和提升機器人的環(huán)境交互能力提供了極具前景的新方案。未來，團隊計劃引入反饋模塊并結(jié)合人工突觸技術(shù)，模擬真實物體的“冷熱感覺”，構(gòu)建完整的感知-反饋閉環(huán)。該工作以“Bionic multimodal augmented somatosensory receptor enabled by thermogalvanic hydrogel”為題發(fā)表在《Advanced Science》上。太原理工大學(xué)博士生李寧為第一作者，張虎林教授和臺灣大學(xué)林宗宏教授為通訊作者。研究獲國家自然科學(xué)基金和山西省科技合作交流專項支持。
該成果是張虎林教授團隊關(guān)于凝膠熱電器件研究的最新進展之一，這項工作構(gòu)想了深度學(xué)習輔助的熱電凝膠電子在觸覺感知和具身智能中的廣闊前景。自2021年以來，張虎林教授團隊制備了一系列基于不同聚合物網(wǎng)絡(luò)和氧化還原對的熱電凝膠可穿戴器件，并致力于開拓凝膠熱電器件在人體健康監(jiān)測和信息交互領(lǐng)域的應(yīng)用場景，取得了一系列重要研究成果，具體詳見：https://cic.tyut.edu.cn/info/1893/9257.htm
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202505873
