基于高κ纳米复合材料的自适应电容-电阻模式转换传感器，用于热触觉感知

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Self-adaptive capacitive-resistive mode-conversion sensor for thermo-tactile perception via high-κ nanocomposites

一种基于高介电常数纳米复合材料和温度敏感绝缘层的自适应电容-电阻模式转换柔性压力传感器被提出，模拟人体热触觉联动感知机制。当环境温度达到绝缘层相变温度时，传感器从电容模式切换为电阻模式，实现危险温度感知与自适应模式转换。

　　
柔性压力传感器领域长期面临如何模拟生物体多模态感知协同机制的技术瓶颈。传统电子皮肤多采用单一物理量检测模式，或通过并行结构实现多参数采集，但无法复现人体皮肤触觉与温度感知的动态耦合特性。这类传感器在复杂环境刺激下易出现信号失真，且缺乏根据环境变化自动切换感知模式的智能特性。

该研究创新性地构建了基于相变材料的自适应模式转换架构。核心材料体系由三部分构成：高介电常数纳米复合材料层、温度敏感绝缘层以及微结构电极阵列。其中纳米复合材料采用多壁碳纳米管与特种硅橡胶复合，通过调控碳管负载比例和分散工艺，在保持柔性特性的同时实现介电常数超过3000的高κ值特性。温度敏感绝缘层选用石蜡基复合材料，其相变温度可通过有机改性精确调控在35-45℃范围，与人体皮肤痛觉触发温度区间高度契合。

工作原理体现独特的环境自适应机制。当环境温度低于相变阈值时，绝缘层保持完整，系统作为典型电容式压力传感器运行。微结构电极阵列通过精密激光雕刻形成具有梯度分布的柱状电极，与上电极形成电容耦合结构。施加压力时，纳米复合材料层因介电常数特性产生显著电容变化，这种压力-电容线性响应关系在-20℃至35℃区间保持稳定性和重复性超过500次循环测试。

当环境温度达到相变临界点，绝缘层发生相变熔融，形成连续导电通路。此时系统切换为电阻式压力传感器，导电纳米复合材料层与上电极形成低阻通路。实验数据显示，在40℃时电阻值突降至初始值的12%，且压力响应呈现非线性特征。这种模式转换特性与人体痛觉-触觉联觉机制高度相似：当皮肤检测到危险温度时，触觉感知系统会同步增强以辅助定位伤害源。

实验验证部分采用机器人抓取热源测试，模拟人体手部接触高温物体的保护行为。测试显示，当接触温度超过设定阈值时，传感器输出信号模式由典型的容性波峰转变为阻性阶梯状变化。通过模式识别算法可准确判断接触物体温度状态，响应时间小于300ms，滞后误差控制在±2℃。特别在42℃测试中，系统在3秒内完成模式转换，输出特征参数与人体皮肤神经信号传导速度具有可比性。

该设计突破传统多模态传感器架构限制，通过物理相变触发模式转换，实现真正的环境自适应感知。与现有解决方案相比，其优势体现在：1）单层材料实现双模态检测，结构简化60%以上；2）模式转换过程无机械连接件，可靠性提升3倍；3）通过调节绝缘层相变温度，可适配不同应用场景（如体温监测40-45℃，工业场景50-60℃）。

实际应用场景中，该传感器可集成于智能手套、工业巡检机器人等设备。在医疗领域，通过调整相变温度至人体正常体温范围（36-37℃），当接触物体温度超过安全阈值时，传感器会触发应急响应机制。实验数据显示，在38℃环境下，系统输出阻性信号变化与正常体温触觉阈值吻合度达92%。在机器人抓取80℃热水杯测试中，系统在接触后1.2秒内完成模式转换，输出阻性信号峰值较容性信号衰减幅度达78%，成功触发安全保护动作。

该研究为智能电子皮肤发展提供了新范式，其核心创新在于：1）建立相变材料与导电纳米复合材料的协同工作机制；2）开发具有生物启发性的动态模式转换控制算法；3）实现环境自适应的物理-化学双响应机制。后续研究可重点拓展方向包括：1）开发宽温域相变材料（-20℃~80℃）；2）优化模式切换时的信号过渡区；3）构建多模态融合的智能决策模型。这些技术突破将推动柔性电子皮肤在智能穿戴、危险环境作业等领域的实际应用。