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研究背景
热感知是一种基本的感知过程，它使生物能够感知周围的温度并做出反应。皮肤是人体最大的感觉器官，是与环境互动的主要界面。当皮肤表面受到热刺激时，皮肤温度的变化会被瞬态受体电位(TRP)离子通道检测到，这些离子通道主要位于皮肤真皮层的游离神经末梢。受生物皮肤功能的启发，人们已广泛探索将热感应技术集成到人工电子皮肤(e-skin)中，以实现机器人、假肢装置和人机交互等智能应用。到目前为止，该领域的进展主要集中在接触式温度感应技术上，这种技术需要与热源直接物理接触。这种接触式操作模式有一个显著的缺点：在处理有害热刺激时可能会造成物理损伤。根据热辐射理论，两个温度不同的分离物体之间的热能传递是通过红外辐射实现的，在此基础上可以实现温度信息的非接触式检测。在接触式范例之外，利用电子皮肤的非接触温度感知功能，有助于为软机器人建立先进的温度预警系统，同时为交互技术带来创新体验。尽管非接触式红外测温技术已经成熟，但开发具有非接触式温度感知功能的电子皮肤仍具有挑战性，因为这涉及到构建灵活的人工热敏感受器，使其能够分辨强度较弱的低能量光子。
有害热刺激可通过加热或冷却产生。一般来说，高于 45°C 或低于 15°C 的温度被认为是有害的，并能激活生物体的痛觉。根据普朗克辐射定律，来自近室温物体的辐射能量主要位于长波红外(LWIR，8-14 µm)区域，而物体的峰值发射波长与温度成反比。热探测器，如测温探测器、热释电探测器和光热电探测器(PTE)，可在室温下探测这种低能量(约0.1 eV)红外辐射，而无需低温冷却。在这些非制冷红外探测技术中，PTE 探测器基于由光引起的温度梯度驱动的电荷载流子定向扩散，其特点是零偏压工作模式和低探测噪声。具体来说，当生物体的皮肤受到热刺激时，对温度敏感的TRP 通道会被打开。随后，离子(如 Ca2+和Na+)通过这些通道的扩散导致动作电位的产生，而动作电位是神经系统中信息传输的关键。因此，考虑到自供电特性和宽带光谱响应，PTE 探测器特别适合涉及红外探测的仿生应用。
作为一种间接能量转换装置，PTE 探测器涉及两个串行过程：光热转换和热电转换。为了探测来自接近室温物体的低强度热辐射(例如，对于450℃的黑体，净辐射功率密度约为 13 mWcm-2)，PTE 探测器需要同时具备较强的红外吸收能力和较高的热电塞贝克系数，才能将产生的温差转换为电压信号。我们最近发现，钛酸锶(SrTiO3)是一种经典的氧化物热电材料，由于其在低温红外波段的声子共振吸收和显著的塞贝克效应，可用于人体微弱热辐射的灵敏检测。以石墨烯、碳纳米管(CNT)、黑磷及其合金为代表的低维材料以及其他功能材料的引入为 PTE 检测带来了新的机遇，并有可能为柔性 PTE 检测器提供创新解决方案。其中，离子液体浇注的 CNT p-n 结对人体发出的红外热辐射有较好的响应，证明了其在柔性可穿戴红外探测装置中的实用性，但离子液体浇注与标准微加工工艺不兼容的问题阻碍了传感器阵列大规模集成的实现。
研究成果
人造皮肤具有无需身体接触即可感知热刺激的能力，将为智能机器人和增强现实技术带来创新的互动体验。要实现对冷热刺激都能做出反应的非接触式热感应，有赖于建造一个在长波长红外范围内工作的柔性红外探测器，以捕捉自发的热辐射。这就对探测器的光电探测性能和机械灵活性提出了严格要求。在此，大连化物所姜鹏&陆晓伟研究员团队提出了一种基于Te基热电多层膜和红外吸收聚酰亚胺衬底的光热电耦合技术的柔性可穿戴红外探测器。通过抑制光反射损耗并将破坏性干涉位置与聚酰亚胺的吸收峰对齐，制成的热电探测器在-50℃至110 ℃的宽源温度范围内对热辐射表现出极高的灵敏度，甚至能够分辨 0.05 ℃的温度变化。通过构建集成热电堆阵列，还实现了空间分辨辐射分布传感。此外，还展示了一种用于软机器人抓手的成熟的温度预警系统，能够以非接触方式识别有害的热刺激。这项工作为将红外探测技术集成到电子皮肤的感知模式中提供了一种可行的策略。相关研究以“Touchless Thermosensation Enabled by Flexible Infrared Photothermoelectric Detector for Temperature Pre-Warning Function of Electronic Skin”为题发表在Advanced Materials期刊上。
图文导读
Figure 1. Preparation of multilayer heterostructure for optimizing the thermoelectric performance of tellurium (Te).
Figure 2. Optimization of the optical absorption by suppressing the reflection loss.
Figure 3. LWIR detection performance.
Figure 4. Flexible and wearable infrared thermopile array for spatially-resolved touchless thermosensation.
Figure 5. Application demonstration of wearable infrared detector for the temperature pre warning function of soft robotics.
总结与展望
总之，作者开发了一种灵活的可穿戴式低温红外探测器，它基于碲基热电薄膜和红外吸收聚酰亚胺薄膜的耦合，从而使电子皮肤具有无接触热感应能力。为了构建高效的 PTE 耦合系统，首先通过构建碲/铜碲多层异质结构优化了薄膜热电性能。然后，通过在LWIR 区域形成破坏性干涉来抑制 Te/CuTe 多层顶面的光反射，并将反射最小值的位置与聚酰亚胺衬底的吸收峰对齐。因此，在 9.3 µm 激光照射下，制成的柔性热电堆显示出约 62 V W-1 的响应率。当检测源温度在-50 至 110℃之间变化的自发热辐射时，Te基热电堆的响应电压几乎呈线性变化，幅度高于商用刚性热电堆。在此基础上，构建了一个4x4 热电堆阵列，它可以在加热或冷却模式下感知红外辐射的空间分布。此外，我们还证明了在这种可穿戴红外探测器的帮助下，为软体机器人抓手建立了一个温度预警系统，该系统能以动态和非接触的方式分辨有害的热刺激。这项研究为同时对冷热刺激敏感的高度集成的柔性可穿戴红外探测器阵列提供了可行的解决方案，在智能机器人、人工智能、增强现实等领域具有重要的应用前景。
文献链接
Touchless Thermosensation Enabled by Flexible Infrared Photothermoelectric Detector for Temperature Pre-Warning Function of Electronic Skin
https://doi.org/10.1002/adma.202313911
Authors: Xiaohan Guo, Xiaowei Lu, Peng Jiang, Xinhe Bao
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