近年來，微型化、柔性化、智能化等多功能集成電子器件在人工智能、生物醫(yī)療、集成電路等領(lǐng)域取得了顯著的發(fā)展。其中，能夠同時感知觸覺和溫度的柔性應(yīng)力/應(yīng)變-溫度傳感器，因其在電子皮膚、柔性傳感器等發(fā)展中的關(guān)鍵作用而受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的應(yīng)力/應(yīng)變-溫度傳感器的設(shè)計策略主要是將兩種具有應(yīng)力/應(yīng)變和溫度傳感功能（熱電/熱釋電和壓電/壓阻效應(yīng)等）的材料集成構(gòu)建成疊層結(jié)構(gòu)的傳感器件。然而，此類器件通常以“一對一”模式運行，結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)采集復(fù)雜，且需要外部電源驅(qū)動，其長期穩(wěn)定監(jiān)測的可靠性不佳。此外，大多數(shù)關(guān)于應(yīng)變傳感的研究往往忽視了應(yīng)變率傳感（施加應(yīng)變的速率）的重要作用，這是動態(tài)場景中的關(guān)鍵因素。即使在相同的應(yīng)變大小下，由于應(yīng)變和應(yīng)變率相互耦合，應(yīng)變率的變化也會顯著影響材料的應(yīng)變響應(yīng)特性。傳統(tǒng)傳感器無法通過單一材料和簡單結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對多參數(shù)變量的實時監(jiān)測，既實現(xiàn)材料的多功能化傳感具有很大挑戰(zhàn)。

近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心邰凱平研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊研制出一種基于碲納米線（Te-NWs）熱電-壓電耦合效應(yīng)的柔性、單通道、應(yīng)變/應(yīng)變率-溫度多模態(tài)傳感器。研究人員通過材料調(diào)控和結(jié)構(gòu)設(shè)計克服了以往傳統(tǒng)熱電材料中熱電和壓電信號無法在同一方向獲得的難題，在傾斜生長的特殊網(wǎng)狀Te-NWs結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)了壓電信號和熱電信號在面外方向的同時感知和輸出。傳感器具有優(yōu)異的性能，應(yīng)變傳感靈敏度為0.454 V、應(yīng)變率傳感靈敏度為0.0154 V s、溫度傳感靈敏度達(dá) 225.1 μV K-1，優(yōu)于已報道的同類多模態(tài)傳感器。同時，結(jié)合第一性原理計算，證明了Te原子電荷的變化引起的壓電效應(yīng)，以及外部電場（如熱電勢等）對于壓電信號的調(diào)制作用機制。該工作為基于多物理場耦合效應(yīng)構(gòu)建柔性、單通道、多模態(tài)傳感器提供了新思路，也為耦合“納米發(fā)電機”開辟了新的應(yīng)用方向。

相關(guān)研究結(jié)果以“Simultaneous strain, strain rate and temperature sensing based on a single active layer of Te nanowires”為題，于2025年11月28日發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。金屬所博士研究生曾豪為論文第一作者，邰凱平研究員、于治副研究員為論文共同通訊作者，該工作也獲得了山東大學(xué)和季華實驗室合作團(tuán)隊的大力支持。該研究成果得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧省重點研發(fā)計劃和沈陽材料科學(xué)國家研究中心專項基金的資助。

原文鏈接

圖1.柔性單通道應(yīng)變/應(yīng)變率-溫度多模態(tài)傳感器件設(shè)計和顯微結(jié)構(gòu)特征

圖2.柔性單通道應(yīng)變/應(yīng)變率-溫度多模態(tài)傳感機制

圖3.應(yīng)變/應(yīng)變率-溫度多模態(tài)傳感器件性能測試曲線

圖4. 柔性單通道應(yīng)變/應(yīng)變率-溫度多模態(tài)傳感器件應(yīng)用演示驗證

AI讀進(jìn)展：一張“電子皮膚”的奇妙進(jìn)化

想象一下，你希望給機器人或假肢造一層像人類皮膚一樣靈敏的“電子皮膚”。這層皮膚需要能同時感知三種東西：

壓力/形變（觸覺）：比如被捏了多用力。

形變速度（動態(tài)觸覺）：比如是被快速拍打還是緩慢按壓。

溫度（溫覺）：比如接觸的是冰塊還是溫水。

過去的“笨辦法”

以前的科學(xué)家是怎么做的呢？他們有點像做“三明治”。他們把一種能感知壓力的材料、另一種能感知溫度的材料，一層一層地疊在一起。這樣做出來的“皮膚”有幾個大問題：

結(jié)構(gòu)復(fù)雜：層數(shù)多，又厚又硬，不靈活。

信號打架：不同層的信號可能會互相干擾，需要復(fù)雜的電路來分辨。

需要外接電源：像手機需要充電一樣，不夠方便。

不夠智能：很難分辨出按壓的速度，而這在抓取雞蛋這類精細(xì)動作中至關(guān)重要。

中國科學(xué)家的“聰明解法”

最近，中國科學(xué)院金屬研究所科研團(tuán)隊取得了一項突破。他們不再做“三明治”，而是像用“一團(tuán)神奇的毛線”織出了一張超靈敏的“電子皮膚”。

核心創(chuàng)新點：

一種材料，三種本領(lǐng)

他們使用的“神奇毛線”是碲納米線。這種材料本身同時具備兩種超能力：

熱電效應(yīng)：當(dāng)材料兩端有溫差時，會產(chǎn)生電壓。這用來感知溫度。

壓電效應(yīng)：當(dāng)材料被擠壓或彎曲時，也會產(chǎn)生電壓。這用來感知壓力和形變速度。

以前，這兩種效應(yīng)產(chǎn)生的信號方向是沖突的，無法同時利用。但研究人員通過巧妙的“傾斜網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功讓這兩種信號在同一個方向上“和諧共處”，都能被測量到。

單通道，多任務(wù)

你可以把這個傳感器想象成一個只有一個出口的水龍頭，但流出的水有三種不同的顏色。

研究人員們通過一套聰明的算法，可以實時分析這個“出口”的總信號，并瞬間分離出哪部分代表“壓力”，哪部分代表“速度”，哪部分代表“溫度”。這就大大簡化了結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理。

自供能

這個傳感器在工作時不需要外接電池。它感知外界刺激（壓力、溫度）時自身產(chǎn)生的微弱電壓，就是它的信號來源。這使其非常適合長期、穩(wěn)定的監(jiān)測。

這項技術(shù)有什么用？

這項研究有可能為未來科技打開了許多激動人心的大門：

更智能的機器人：讓機器人能像人一樣，在抓取雞蛋時不僅能感知力度，還能感知滑動速度，從而及時調(diào)整，避免捏碎或滑落。

更逼真的假肢：讓截肢者通過假肢同時感受到物體的軟硬、紋理和溫度，獲得更真實的觸覺體驗。

先進(jìn)的健康監(jiān)測：可以做成貼附在皮膚上的柔性貼片，長期、實時地監(jiān)測關(guān)節(jié)活動（應(yīng)變）、肌肉震顫（應(yīng)變率）和體溫變化，用于疾病診斷和康復(fù)訓(xùn)練。

下一代人機交互：使手機、VR手套等設(shè)備的觸控體驗更加豐富和立體。

總結(jié)一下：

簡單來說，中國科學(xué)家就像一位高明的“材料魔術(shù)師”，他們用一種特殊的“碲納米線”，通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計，造出了一種簡單、柔軟、能干多重活兒還不用充電的超級傳感器。這不僅是傳感器領(lǐng)域的一大步，也為我們未來邁向更智能、更人性化的科技世界鋪平了道路。

希望這個解釋能幫助您理解這項有趣的研究！