综述：基于有机电化学晶体管的触觉感知：从感知到神经形态处理

《InfoMat》：Organic electrochemical transistor-based tactile perception: From sensing to neuromorphic processing

　　

触觉感知电子器件桥接了以电荷传输为主的有机光电器件与离子介导的生物系统，并正在成为下一代人工智能的关键研究方向。有机电化学晶体管（OECT）的电导率可通过电化学离子掺杂进行调控，表现出独特的光电特性。凭借其固有的机械柔性、溶液可加工性和生物相容性，OECT为柔性智能传感技术提供了有吸引力的平台。在过去十年中，功能材料设计、器件架构和集成技术的进步推动了基于OECT的生物物理信号传感和人工突触感知的快速发展。在这篇综述中，研究人员总结了触觉传感有机晶体管的最新进展，重点关注支持温度和压力信号转导、传输和处理的器件架构、工作机制和制造策略。特别关注了为温度和压力传感设计的有机晶体管中开发的策略，突出了它们的性能和应用潜力。最后，讨论了下一代触觉OECT的新兴研究策略，以及关键挑战和未来机遇。

2 触觉感知基础与设计目标
2.1 人体触觉感知系统
人体触觉感知系统是由专门机械感受器（如迈斯纳小体、默克尔盘）将机械刺激（从静态压力到高频振动）转换为跨膜离子流（Na⁺， K⁺）的电化学信息处理界面。该机制通过电化学浓度梯度驱动，使人体皮肤能够检测低至1 Pa的接触压力，同时承受超过100 kPa的负载，并保持毫秒级响应时间以分辨动态纹理特征。生物触觉具有固有的“传感器内计算”架构，信号适应和滤波直接在突触水平通过离子积累发生。这种离子-电子耦合和低功耗电化学运作为人工触觉系统设定了标准，并为利用具有同源工作机制的有机电化学晶体管（OECT）作为仿生感知的理想元件提供了理论基础。人工电化学感知的演化始于1984年White等人建立的OECT基本概念，通过聚吡咯微电极阵列展示了电化学氧化还原反应调制电导率的可行性。2020年，Chen等人引入“接触调制离子转移掺杂”机制，通过外部压力动态调制凝胶-通道界面的双电层电容和离子注入效率，实现了超高灵敏度，可与生物感受器相媲美。随着器件物理和制造策略的成熟，OECT触觉技术正从分立感知器件向高度集成的“感知-存储-计算”系统过渡。2024年，大规模OECT有源矩阵实现了高时空分辨率的触觉映射和纹理识别。2025年，该领域向神经形态感知推进，系统将柔性传感阵列与突触计算电路集成，直接在边缘处理动态触觉信息。

2.2 OECT触觉功能的基础
OECT是由源极、漏极和栅极组成的三端有源器件，其核心工作机制是栅极电压驱动电解质中的离子注入有机半导体层进行掺杂，从而动态调控有机半导体的电荷传输特性。OECT具有与生物皮肤相似的核心特征：离子介导的操作类似于生物离子信号过程，赋予OECT与生物皮肤相当的感知特性。例如，人类皮肤通常可检测10 Pa至100 kPa的压力，感知阈值低至10–100 Pa，响应时间在几十毫秒量级；近期基于OECT的触觉传感器展示了类似的工作范围，包括从几十帕到超过100 kPa的压力检测、超过几十kPa^?1的高灵敏度以及毫秒级响应时间。具体而言，离子掺杂过程可实现信号放大，使器件在低工作电压（<1 V）下获得高导通态电导（g_m >1 mS），从而精确检测弱触觉信号。OECT使用的有机半导体材料具有固有的柔性、轻质和可溶液加工优势，匹配可穿戴和皮肤界面型触觉系统的应用需求。离子门控器件的电学行为主要由离子-电子耦合主导，使有源半导体中的体载流子密度高达10²¹ cm^?3，但离子迁移率远低于电子载流子，限制了工作频率。离子传输分为电解质中运动和注入半导体两个阶段，电解质粘度可调谐离子动力学，而半导体微观结构和侧链亲水性影响离子渗透能垒。栅极电压移除后，离子以挥发性或准非挥发性方式弛豫，产生短期或长期突触可塑性。总体上，离子传输缓慢将器件操作限制在千赫兹以下，但这一特性有利于仿生电子学，因为类似动力学在生物系统中普遍存在。这种离子-电子耦合过程赋予OECT非易失性存储能力，并进一步模拟生物皮肤的适应性感知行为。基于这些特性，OECT已被报道展示仿生触觉功能，包括高灵敏度、宽动态范围、快速响应和适应性，可与生物系统媲美。

3 基于OECT的触觉感知：感知、记忆与计算
人类皮肤的复杂触觉功能由多种感受器（如机械感受器、温度感受器或伤害感受器）在不同层次上的协调运作实现。触觉感知可组织为三个紧密互联的功能阶段：感知（将外部刺激转换为电或离子信号）、记忆（随时间保留刺激诱导状态以编码时间动态和依赖性）和计算（整合实时感觉输入与存储状态以提取特征并生成更高层次的感知输出）。OECT由于其独特的离子-电子耦合和体积调制特性，与生物感知机制具有强物理和功能相似性，是集成触觉感知的有前景器件平台。

3.1 OECT的触觉感知功能
通过调制离子-电子耦合过程，研究人员基于OECT创建了新型触觉传感器。Chen等人通过接触调制离子注入实现OECT的机械响应：施加压力时，微金字塔形固态电解质与通道聚合物的接触面积迅速增加，界面电容大于通道电容时，栅极电压诱导离子穿透整个聚合物体，改变半导体掺杂状态，将机械刺激转换为大电流响应，在低于1 V栅极电压下实现高压力灵敏度。基于PEDOT:PSS的耗尽型OECT在5–16 kPa范围内灵敏度达71.9 kPa^?1，基于P3HT的积累型OECT在0–15 kPa范围内灵敏度达10828.2 kPa^?1。Lu等人构建了可拉伸聚离子液体凝胶电解质表面上的金字塔微结构，压力下金字塔压缩使栅极-电解质有效接触面积迅速扩大，显著增加栅极-电解质界面电容，促使阴离子更有效地注入PEDOT:PSS凝胶通道，增强p型半导体的电化学掺杂。利用全凝胶器件86.4 mS的超高跨导，该微观掺杂变化被放大为宏观电流信号，使器件在0.1 Pa的微小外部压力下即可产生可分辨电流变化。通过栅极材料和结构设计，OECT还可实现切向力的识别：在栅极表面构建单侧导电微肋阵列，利用其定向形变结合OECT电流放大机制，实现了前后剪切力的区分。当外部力与肋条导电侧同向时，肋条弯曲增加导电区域与离子凝胶的接触面积，等效栅极-凝胶电容增大，通道电流显著下降；反之，当力与绝缘侧同向时，导电接触面积几乎不变，电容和电流无明显变化。

与压力传感器相比，OECT温度传感器的研究较少。当前感知机制主要集中于有机半导体、电解质层和栅极。2025年，Lopez-Larrea等人通过化学氧化聚合合成PEDOT-b-PNIPAM嵌段共聚物，当温度超过较低临界溶解温度时，PNIPAM链段发生相变，导致材料电化学电容显著变化，从而调控晶体管通道电流，在25–45°C范围内实现0.02°C^?1的高灵敏度。Wu等人研究了温度对基于PVDF-HFP[EMIM][BF4]离子凝胶电解质的OECT电学性能的影响：温度从25°C降至?50°C时，通道电流和跨导均呈下降趋势，阈值电压正移，归因于低温度下电解质和活性材料离子电导率降低；温度从20°C升至110°C时，加速的电化学掺杂过程使跨导和瞬态响应上升。温度灵敏度还可通过栅极的热功能化实现：Lopez-Larrea等人通过将PNIPAM与PEDOT:PSS复合开发了热敏水凝胶，该水凝胶在人体体温附近（35°C）发生可逆亲水-疏水相变。温度从25°C升至45°C时，PNIPAM链塌陷使水凝胶脱水收缩，缩短三维导电网络中PEDOT:PSS段间的距离，导致电荷转移电阻急剧下降（89.0%）。当用作OECT栅极时，温度变化通过栅极阻抗调制通道电流，归一化响应随温度线性增加，在45°C时达1.12 ± 0.24，灵敏度为0.05°C^?1。

伤害感受器比机械感受器和温度感受器表现出更复杂的功能行为，包括阈值激活、抑制适应、致敏和记忆效应。Xu等人于2024年开发了垂直多栅极多通道电解质门控晶体管，结合双电层和离子插入/脱出混合机制，可根据脉冲条件将疼痛阈值电流设定为36 nA或46 nA，并保持205的高信噪比，实现了基于OECT的高灵敏多模式物理信号检测。

3.2 基于OECT的感知平台中的触觉信息存储
生物触觉系统是集成感知、信号处理和记忆的复杂网络。实现真正非易失性需要足够大的能垒以防止离子扩散。Wang等人通过优化器件结构、通道微结构和电极工艺开发了具有非易失性模拟存储功能的OECT：采用大深宽比几何补偿体积电容和离子迁移率损失，确保高感知灵敏度；利用结晶度控制实现离子的慢速和快速传输；通过栅极工艺控制防止反离子补偿被捕获离子。但该传统物理捕获机制的存储窗口通常有限（<5.3 V），且需高工作电压。Kim等人通过分子设计构建了静电离子捕获结构：将两性离子交联剂共价整合到聚合物基质中，在π共轭主链附近形成固定阳离子陷阱，显著增加了陷阱密度和键合强度，实现了8.65 V的创纪录存储窗口和96.4 V的滞回强度。

通道材料与电解质的相互作用同样决定离子态在半导体内保留时间。van de Burgt等人报道了电化学神经形态有机器件，通过“电化学质子掺杂和静电自锁定”耦合机制产生大于1 eV的静电能垒，形成对质子的强库仑结合，有效“锁定”聚合物主链内的掺杂水平。读取操作采用约100 mV小偏压，电流仅几十微安，不足以克服静电能垒或引入新离子通量，因此器件在无外部电源情况下电导波动低于0.04%，持续超过25小时，实现了低干扰非易失性模拟突触权重存储。插入离子阻挡层提供了增强状态保持的替代策略：Maraj等人利用晶体管耦合液滴双层技术在PEDOT:PSS表面与悬浮固态Ag/AgCl电极之间形成脂质双层，该双层具高电阻，有效抑制非特异性离子扩散，将突触态保留时间延长至500秒。Zhou等人采用二苯并-18-冠-6衍生物在半导体与电解质之间捕获和释放离子，在低极性溶剂中离子与冠醚的结合常数极高，捕获后难以逃逸，实现准永久非易失性存储；在极性溶剂中增强的溶剂化效应促进离子脱离，导致短期记忆行为。

Lee等人开发了水可处理可扩展聚合物固态电解质，通过分子尺度设计实现有机突触晶体管中的高性能非易失性记忆：聚(4-苯乙烯磺酸)与氢氧化锂和二乙烯三胺混合形成离子交联分子桥结构，不仅调节聚合物链间距，还有效限制锂离子迁移路径。当二乙烯三胺最优摩尔比为0.2时，所得分子桥网络允许Li⁺在电场下定向迁移，但电场移除后离子分布被“冻结”，源于迁移路径受限和离子能垒增加。该机制赋予器件非易失性存储特性，在零栅压下电流衰减极小，具有低电压操作、低能耗和优异循环稳定性，适合神经形态计算中的突触权重存储和调制。

3.3 基于OECT的触觉感知中的神经形态计算
OECT可在器件层面模拟突触功能，也可与电路元件集成构建基本信号处理电路（放大、门控、路由）。传统的基于OECT的反相器和逻辑电路为神经形态系统提供硬件单元，实现类似于神经网络中神经元激活函数的信号放大、阈值化和非线性变换操作。反相器电路展示电压传输特性和增益行为，类似神经元响应函数。多个OECT集成阵列进一步展示了大规模神经形态电路所需的可扩展性。当前研究重点是通过改进器件设计和集成策略提高电路复杂度，支持开发将感知、记忆和神经形态处理结合的基于OECT的单片系统。在集成平台中，逻辑和放大电路作为前端调理和信号路由模块，确保突触阵列和面向感知的处理单元稳定运行。近期研究还推动了基于OECT的神经形态硬件发展，例如开发了基于全印刷互补OECT技术的有机电化学神经元：该器件表现出类似生物神经元的离子介导尖峰行为，可在低于0.6 V低电压下工作，频率调制超过450%，动态功耗约15 μW。

逻辑电路在OECT平台上主要呈现单极电路和互补电路两种架构形式。单极电路（如基于PEDOT:PSS串联电阻分压）可实现约10⁵的开/关比、约20 ms的开关时间和在±5 V单极电源下小于0.1 V的级联电平衰减，但存在静态功耗较高的局限。互补结构OECT电路（如基于PANI的互补电路）通过配置一个OECT工作在峰值P型斜率侧、另一个工作在N型斜率侧，实现互补逻辑功能，在0.2 V电源电压下峰值增益约7.2。基于p(g42T-T)和BBL的增强模式OECT互补电路通过平面侧栅设计和水凝胶电解质实现低于1 V的高功率效率互补电压放大器，单级放大器可感知低至100 μV的信号，增益30.4 dB，两级结构实现193.5 dB的直流增益。

垂直型OECT通过显著缩短离子穿过半导体所需时间，瞬态响应时间可低至微秒级。Moon等人提出全垂直OECT架构，突破传统OECT速度限制，工作频率达12 MHz V^?1，基于此成功构建了NOT、NAND和NOR基本逻辑门，其中NOT门增益可达3，开启电压低至0.8 V，665次循环测试后开启电流仅下降7.6%，暴露空气75天后仍保持稳定电学性能。

总体而言，反相器和互补OECT电路主要实现确定性信号处理功能，但其可扩展性、低电压操作、高频率响应和长期稳定性为整合突触器件并实现面向感知的神经形态触觉系统奠定了电路级基础设施。

4 基于OECT的触觉感知发展策略
过去十年中，功能分子的理性设计与合成、器件架构的持续优化以及集成技术的进步共同推动了OECT系统的发展。在触觉感知背景下，这些进展不仅提升器件固有性能，更重要的是转化为触觉指标的改进，包括响应范围、压力灵敏度、时间分辨率、信噪比、计算精度和系统级集成密度。从机制角度看，OECT将外部触觉刺激转换为活性通道内耦合离子和电子传输的调制。关键器件参数如跨导（g_m）、体积电容（μC*）、载流子迁移率和响应时间直接决定信号转换效率和保真度。例如，更高的g_m提高电流调制效率和压力灵敏度；更大的μC*增强离子-电子耦合，降低检测限并扩展响应范围；更快的响应时间支持高频触觉信号判别；改善的器件均匀性有利于神经形态阵列的计算精度。这些能力依赖于支持高效离子-电子耦合的有机半导体和电解质材料。因此，材料工程、结构优化和集成策略应基于其对触觉性能指标的贡献进行评估。

4.1 多功能导向的共轭分子设计
触觉仿生电子器件高度依赖电荷传输的精确控制，功能分子材料的设计与开发是该领域研究的核心焦点。PEDOT:PSS是OECT中最广泛使用的p型有机半导体，通过使用甲苯磺酸盐（Tos）和十二烷基苯磺酸（DBSA）等掺杂剂，电导率提高到1000 S·cm^?1。2025年，Du等人利用高极性CF₃SO₃H作为掺杂剂，通过刮涂法诱导PEDOT与PSS显著相分离，将绝缘PSS转化为水溶性PSSH，改善了结晶度和紧密π-π堆积，使电导率达到15000 S·cm^?1。针对缺乏高电导n型材料的问题，Lei等人利用受体单元的掺杂态电荷调制，成功将p型聚合物P(gTDPP2FT)转化为高性能n型材料，并制备了具有μC* = 54.8 F cm^?1 s^?1和μ = 0.34 cm² V^?1 s^?1的高性能n型OECT。Huang等人通过氧化聚合和还原掺杂合成高电导n型聚合物PBFDO，薄膜电导率达2000 S·cm^?1，霍尔迁移率1.01 cm² V^?1 s^?1，在OECT中μC*值达180 F cm^?1 s^?1。Wang等人基于醛醇聚合反应设计氟化BIL缺电子受体，构建了乙二醇化D-A型共轭聚合物p(C2F-V)，分子内氢键将整个主链锁定在刚性平面构象中，提高了电子迁移率，开关导通响应时间约330 μs，μC*达108 F cm^?1 V^?1 s^?1。Ma等人以Tz-DPP为基本构建单元，通过Stille自聚合和直接氧化芳基化合成Pg5Tz-x-DPP均聚物，当x从3增加到5时，分子堆积取向的变化有利于垂直离子注入和电子/离子传输，Pg5Tz-5-DPP实现了最优OECT性能，跨导31.9 S cm^?1，阈值电压0.31 V，μC*为96.3 F cm^?1 V^?1 s^?1。

水凝胶具有柔软、弹性和高含水量等与生物组织匹配的特性。近年来，研究人员将有机半导体与水凝胶结合设计，不仅增强器件与生物系统的交互功能，还赋予OECT独特的机械响应和环境感知能力。Dai等人利用溶剂亲和诱导组装将水不溶性聚合物半导体均匀嵌入多孔网络，形成双网络水凝胶，该半导体凝胶具有组织级模量和柔软度（最高81 kPa）、高达150%的拉伸率以及高达1.4 cm² F^?1 s^?1的载流子迁移率。Lei等人提出了n型水溶性半导体聚合物P(PyV)，展现出优异的生物相容性和良好生物粘附性能，n型OECT的μC*值可达120 F cm^?1 V^?1 s^?1，器件开启时间加速至1.58 ms。Lu等人通过使用PEDOT:PSS/PAM双网络半导体凝胶结合PIL-gel电解质构建了全凝胶OECT器件，峰值g_m值86.4 mS，高μC*值7118.6 μF V^?1 s^?1。

4.2 通道中分子堆积依赖的离子动力学实现按需信号转换速度
功能化半导体材料的发展使基于OECT的触觉感知成为可能，但触觉信号的精确检测和受控调节还依赖于通道中的分子堆积，它支配离子动力学。Kim等人设计并合成了两种分别具有edge-on和face-on取向的1,4-二硫苯基DTP基共轭聚合物（DTP-P和DTP-2T），验证了离子迁移率取决于离子注入方向相对于聚合物主导分子取向的差异，揭示了离子注入方向性在调节器件瞬态响应中的关键作用。Ma等人通过精确控制PTBT-p半导体热退火过程中非晶-晶体结构的转变，实现了同一半导体的快速离子迁移挥发性模式和强离子捕获非挥发性模式，使OECT能在挥发性与非挥发性突触模式间动态切换，为构建同质集成感知-存储-计算神经形态硬件提供了关键材料策略。Yan等人通过在OECT通道中构建条纹微结构创建离子横向传输通道，促进均匀离子渗透，增强体积电容，并加速氧化动力学。以P3HT为材料，增加侧向面积比可将器件性能指标（g_m,max/τ）提升至16.2 mS s^?1，提高超过600%，且在低结晶度或face-on取向聚合物中效果更显著。Wang等人通过依次沉积BBL和PEI构建了具有梯度互穿双连续结构的垂直n型OECT，该器件在挥发性模式下响应时间为27 μs，实现了100 kHz的记忆频率和长状态保持时间，可对光/化学刺激实现高频响应并模拟条件反射行为，为神经修复和脑机接口提供了高性能生物相容新范式。

4.3 电解质调控的OECT离子-电子耦合行为
OECT中的电解质层在促进离子传输和调制离子-电子耦合中起关键作用，直接影响器件性能。近期电解质材料的进展集中于提高离子电导率、机械柔性和生物相容性，关键因素包括P(VDF-TrFE)、PMMA和PVA等高离子电导率和机械稳定性的聚合物电解质，它们提供高效的离子迁移，对改善OECT的响应时间和跨导至关重要。添加离子液体如PFSI^?和TFSI^?可显著增强离子迁移率，实现更快离子扩散和更低电压操作。与功能化阳离子（如EMIM⁺和BMIM⁺）结合后，这些离子液体展示了改善的电荷存储能力，在动态环境中性能更稳定和适应。近期研究还引入了亲水性聚合物电解质，同时改善离子电导率和机械柔顺性，特别有利于需要长期稳定性的柔性OECT在实时触觉感知和生物传感应用。离子凝胶和水凝胶的发展也为可穿戴电子学所需的生物相容材料铺平了道路，这些材料在保持高离子电导率的同时提供了必要的机械稳定性。

4.4 人工智能电路设计与集成
得益于材料发展的进步，能够进行信号检测、逻辑运算和基本感知功能的器件经历了快速发展。突触启发的器件已成为多种智能感觉神经形态系统的基本构建模块，激发了对仿生计算和人工智能的广泛研究。Wu等人开发了基于PEDOT:PSS和液态金属的皮肤相容可拉伸神经形态触觉系统，通过集成摩擦电纳米发电机传感器阵列与水凝胶门控OECT（充当突触元件），模拟了从机械感受器到生物突触的感觉通路。Sultan等人开发了单片集成自供电OECT触觉感知器件，通过集成摩擦电感应层栅极和离子凝胶电解质，实现了从触觉压力信号（3.5–55.6 kPa）到神经频率编码信号（0–100 Hz）的集成转换，并展示了高精度材料识别能力。Liu等人建立了高分辨率多通道喷墨打印平台，用于制造大规模集成OECT阵列，并将其纳入储层计算框架，实现了基于ISOECT的神经形态电路。Chen等人开发了集成机械传感器的仿生有机传入神经元，具有压力依赖的突触可塑性、长期记忆（弛豫时间高达306.5 s）和积分能力，并展示了基于该神经元的智能防滑闭环系统机器人，可读取和识别高达40 Hz的动作频率，通过空间排列和时间编码在50个训练周期后对三种运动类型（抓取、滑动、防滑）实现99.0%的识别准确率，机器人可通过智能识别滑动事件执行防滑动作，并通过事件驱动架构显著降低系统能耗和数据处理负担。

4.5 多模态触觉感知功能的发展与集成
为使人工智能和机器人系统更逼真地模拟生物行为，开发具备多信息采集、高灵敏度、高空间分辨率和长期工作稳定性的多模态触觉感知电子器件至关重要。Tian等人采用商业柔性印刷电路板技术制作电极阵列和封装层，结合定制喷墨打印技术图案化PEDOT:PSS通道和电解质层，展示了全集成柔性传感器内计算系统。该系统集成了电源管理、低功耗蓝牙微控制器、OECT压力传感器和OECT突触器件等模块，并基于储层计算神经网络架构进行手写数字识别训练，展示了柔性固态OECT神经器件在边缘计算场景中用于文本、图形等实时识别任务的应用前景。Bao团队基于OECT构建了连接突触的环形振荡器的神经集成器件，集成压力传感器矩阵的多通道信号实现盲文识别，并在单芯片平台上进一步设计了全柔性假肢电子皮肤，集成了压力传感器、环形振荡器等OECT器件，实现压力与温度感知信号的脉冲编码，并成功在大鼠模型中激活运动皮层，诱导坐骨神经驱动的肌肉刺激，实现了完整的人工感知与运动回路。

与遵循固定动作路径的传统机器人相比，智能机器人应具备感知、决策和执行能力，以及对外部环境变化的适应性记忆和交互反馈特征。Shim等人从蚯蚓等软体动物神经系统获得启发，基于可拉伸突触晶体管实现了从机械刺激感知到突触后电位再到可编程自适应运动回路的映射，展示了软机器人上触觉感知与运动反馈神经功能的集成，使软机器人表现出针对多种外部机械刺激的适应性运动能力。Krauhausen等人提出了由OECT和非易失性有机突触器件组成的极简神经形态电路，在机器人路径探索过程中，将压力感知信号作为有害或惩罚信号，光信号作为奖励信号，结合强化学习训练，使机器人在迷宫导航任务的交叉点生成正确的转向决策记忆。该团队进一步在机械手上集成了压力、距离、温度及颜色传感器，以感知目标和有害环境信息，并将其传输至模拟短期可塑性和长期记忆的OECT突触器件，通过电压求和与Sigmoid激活函数将多模态感知转换为抓取行为的概率输出。无需预训练或外部算法干预，机器人首先通过随机探索建立“接近-抓取”关联，然后基于高温和黑色负刺激学习执行多模态识别与危险物体抓取操作，展示了机器人通过新学习机制掌握多模态认知和复杂任务策略的有效性。