能量景观与工程化的离子电子学技术相结合，实现了人工热感受器，从而增强了仿生热传感能力

《SCIENCE ADVANCES》：Energy landscape–engineered iontronics enable artificial thermoreceptors for augmented bioinspired thermosensation

提出一种基于异质聚合物电解质（hete-PE）的结构编程离子透镜，通过能量景观工程实现半导体级离子载流子行为，检测灵敏度达8 mK，并开发出可感知气流、湿度、辐射和物体热导率的仿生离子皮肤。该材料突破传统离子器件依赖化学修饰的局限，通过调控微纳结构实现温度响应，为人工热感官与生物融合系统提供新范式。

　　本研究聚焦于人工热感知系统的开发，旨在填补生物热感受器与人工系统之间的关键差距。生物体通过复杂的热感受机制，能够感知多种温度相关信号，如阳光、风冷、湿度以及物体接触等，而目前的人工热感受器在灵敏度和感知丰富性方面仍显不足。本文提出了一种结构编程的离子电子平台，通过设计异质聚合物电解质（hete-PE）中的能量景观，实现对离子载体状态的连续调控，从而模拟半导体中的热激活导电机制，达到8 mK级别的温度检测能力。这种设计不仅提升了热感知的精度，还拓展了人工系统对环境的综合理解能力，为人类与机器的深度融合提供了新的可能性。

### 生物热感知的复杂性与挑战

生物热感受器依赖于热激活的瞬态受体电位离子通道，能够快速响应外界的温度变化，使生物体感知环境的细微差异。例如，人类皮肤在接触金属时会感受到明显的冷感，而在接触木材时则感觉较为温暖，这种感知差异源于不同材料的热传导率和环境交互方式。然而，这种复杂的感知机制难以被人工系统直接复制。传统的离子电子材料通常依赖化学修饰或界面效应来调节离子的运动，但这些方法在设计灵活性和多功能集成方面存在局限。此外，许多现有的离子电子温度传感器在性能上仍局限于5°C的温度范围，无法有效模拟生物体在更广泛环境条件下的热响应。

为了克服这些限制，研究团队提出了一种基于能量景观工程的异质聚合物电解质材料，通过结构调控而非化学修饰，实现对离子载体的高效管理。这种材料能够模拟半导体中的载流子行为，使离子在特定的热驱动下迁移，从而提升温度检测的灵敏度和动态响应能力。这种结构设计不仅解决了离子电子材料在热响应方面的不足，还为构建具有生物仿生特性的热感知系统奠定了基础。

### 异质聚合物电解质的结构与性能

在本文中，研究团队设计了一种异质聚合物电解质（hete-PE），其核心由聚苯乙烯磺酸钠（PSSNa）亚微米球组成，均匀分散在聚乙烯醇（PVA）基质中。PSSNa的阴离子结构在静电作用下形成了局部的电势井，吸引钠离子在周围形成一个连续的离子云。这种结构在宏观上呈现出一种类似于半导体的能带结构，其中离子在不同能量状态下迁移，形成可调节的导电路径。当温度升高时，更多的离子被激活，进入高能态，从而显著提升导电性能。这一特性使得hete-PE在温度变化时表现出类似半导体的热激活行为，从而实现了毫开尔文级别的温度检测。

为了验证这一机制，研究团队通过阻抗谱分析了hete-PE在不同温度下的电性能变化。结果显示，hete-PE在0.28 wt% PSSNa含量时表现出最显著的温度响应，其阻抗变化率和激活能均远高于传统的均质聚合物电解质（homo-PE）。这种材料在25°C至90°C的温度范围内表现出连续的导电行为，且在低载流子浓度下仍能实现快速的导电转换，符合库尔拉什定律的预测。此外，hete-PE在不同机械变形条件下（如弯曲和压缩）表现出极高的稳定性，误差控制在0.15°C以内，甚至在2000次弯曲循环后仍能保持良好的性能。

### 人工热感受器的构建与性能测试

基于hete-PE的结构优势，研究团队进一步开发了一种具有生物仿生特性的离子皮肤（ionic skin），该皮肤能够模拟生物体对环境的复杂感知。通过将hete-PE传感器与凝胶层结合，该系统能够在接触不同材料时感知其热传导特性，并在接触液体时识别其蒸发特性。例如，当皮肤接触金属时，会迅速感知到温度的下降，而接触水溶液时则表现出不同的冷却速率，这些特性与生物皮肤对环境的感知机制高度一致。

在实验测试中，该离子皮肤表现出极高的灵敏度，能够在8 mK的温度变化下产生可检测的电流响应，远超当前大多数柔性温度传感器。此外，该系统在25°C至60°C的温度范围内具有良好的动态响应能力，能够在0.3秒内完成响应并迅速恢复。这种快速的响应特性使得离子皮肤能够在复杂环境中实时感知温度变化，从而为机器人、假肢等设备提供更接近生物感知的热信号处理能力。

### 多功能环境感知能力

除了温度检测，该离子皮肤还能够感知其他环境因素，如湿度、风速和辐射热。例如，在不同湿度条件下，皮肤的温度感知会受到显著影响：在10°C时，湿度升高会增强导热能力，导致皮肤感受到的温度下降；而在25°C时，湿度增加反而会阻碍蒸发冷却，使皮肤感受到的温度上升。这种对湿度的敏感性与人类皮肤的感知机制高度相似，表明该系统能够模拟生物体对环境的综合判断能力。

此外，离子皮肤还能够感知风速变化，模拟“风冷”效应。当风速增加时，皮肤表面的温度会迅速下降，表现出与真实环境相似的热响应模式。通过引入一个带有色素的凝胶层，该系统还能够感知太阳辐射的影响，模拟阳光对皮肤的加热效应。这些能力使得离子皮肤不仅能够检测温度，还能在更广泛的环境中提供多维的感知信息，为人工系统赋予更丰富的环境理解能力。

### 人工皮肤的结构设计与应用前景

为了实现更精确的环境感知，研究团队将多个hete-PE传感器以5×5像素阵列的形式集成到离子皮肤中，并将其安装在一个曲面结构上，以模拟人体皮肤的形态。这种结构能够提供二维的热图像，帮助识别不同环境下的热分布模式。例如，当皮肤接触金属块时，仅接触区域的温度会显著下降，形成清晰的冷区；而当受到风速影响时，温度变化则呈现出更广泛的分布，模拟了自然风对皮肤的冷却效果。这些差异化的热响应模式使得离子皮肤能够区分不同的环境刺激，为机器人和假肢等设备提供更接近生物体的感知能力。

进一步地，该离子皮肤还能够用于非侵入式液体识别。通过分析接触液体时的温度变化曲线，系统能够根据液体的蒸发特性、热容量和热传导率等参数，区分不同类型的液体。例如，六种高纯度溶剂和六种常见的食品饮料均能被该系统成功识别，其识别准确率分别达到89.3%和90.8%。这种能力超越了人类的感知范围，因为许多液体在相同温度下表现出相似的热响应，但通过精确的温度变化曲线分析，离子皮肤能够捕捉到这些细微的差异。

### 与生物感知的对比与优势

与生物体的热感知机制相比，人工热感受器需要在多个方面实现模拟。生物体的热感知不仅依赖于温度本身，还涉及多种环境因素的交互，如空气流动、湿度和辐射热。这些因素共同作用，使生物体能够感知到更复杂的热信号。相比之下，传统的人工传感器通常只能测量绝对温度，缺乏对环境变化的综合判断能力。而本文提出的离子皮肤则通过整合多种热响应机制，实现了对环境的多维感知，为人工系统提供了更接近生物感知的体验。

此外，该系统在响应速度和稳定性方面也表现出色。在模拟人体温度的条件下，离子皮肤能够快速适应环境变化，并在长期使用中保持一致的性能。这种稳定性使得该系统适用于长期监测和复杂环境下的应用，如医疗监测、环境感知和智能机器人等领域。通过与视觉或触觉传感器的结合，离子皮肤还能够提供更丰富的多模态感知信息，进一步提升人工系统的环境适应能力。

### 未来发展方向与挑战

尽管本文提出的离子皮肤在热感知和环境识别方面表现出色，但仍面临一些挑战。例如，材料中的化学势梯度可能对离子的迁移产生额外影响，这些因素在当前模型中未被充分考虑。此外，离子的电荷数、尺寸和化学性质也可能改变能量景观的分布，进而影响导电性能和热响应特性。因此，未来的研究需要进一步探索这些因素对离子迁移和热感知的影响，并结合分子动力学模拟等手段，深入理解其背后的物理机制。

在设备层面，研究团队强调了对热响应与机械变形之间关系的优化。由于水分子在凝胶层中的分布不均，可能导致热传导的波动，从而影响传感器的稳定性。为了解决这一问题，研究团队提出了一种动态调节加热器功率的方法，以补偿水分波动带来的影响。此外，未来的研究还可以探索更高水分保留的凝胶材料和蒸发调控结构，以提升系统的长期稳定性和可靠性。

### 总结与意义

本文提出的异质聚合物电解质平台和离子皮肤系统，为人工热感知技术提供了一个全新的方向。通过结构编程而非化学修饰，该系统能够实现对离子载体的高效管理，从而提升温度检测的灵敏度和动态响应能力。同时，该系统还能够感知多种环境因素，如湿度、风速和辐射热，使其具备更丰富的感知能力。这种技术不仅能够推动生物混合系统和人机交互的发展，还可能在医疗、环境监测和智能机器人等领域发挥重要作用。

总的来说，该研究通过引入一种全新的离子电子材料，实现了对生物热感知机制的模拟，为人工系统赋予了更接近生物体的感知能力。未来的研究可以进一步优化材料性能，探索其在更广泛环境条件下的适用性，并推动其在实际应用中的落地。这一成果标志着人工热感知技术迈出了重要的一步，为构建具有生物仿生特性的智能系统提供了坚实的理论基础和实践支持。