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  皮膚是人體與外界交互的關鍵界面和天然屏障。它不僅提供物理保護，其精妙的感知機制—如通過帕西尼小體感受壓力、通過溫覺受體分辨冷暖以及可形變的褶皺結構和梯度模量，使人類能夠精細地感知并響應外界刺激。然而，腦卒中等神經疾病的高發（尤其是在老齡化趨勢下），常導致患者出現觸覺感知障礙。這種障礙使他們難以識別溫度變化（易燙傷）、無法精準控制抓握力度（易捏碎物品），嚴重影響了日常生活質量和安全。此外，現有智能假肢配備的電子觸覺傳感器（如摩擦電、電容、壓阻式）在實用化中面臨顯著挑戰：需外接電源、難以可靠識別材料特性（尤其對電學屬性相似的物體）、易受開放環境干擾，且缺乏在非預設壓力條件下實現自監督感知的能力。

圖1. 仿生多模指尖受體設計

  受皮膚結構和感知原理的雙重啟發，太原理工大學集成電路學院張虎林教授團隊在《Advanced Science》發表重要研究成果。他們開發出一種基于梯度微圖案化熱電水凝膠的仿生指尖受體，其核心創新在于模擬了皮膚對溫度和壓力的并行感知機制（溫壓雙通道），并巧妙利用生活中觸摸不同物體產生的“冷熱感覺”物理原理來實現材料識別。這項工作的靈感直接源于日常體驗：觸摸金屬感到涼，是因為熱量被迅速導走；觸摸泡沫感到暖，則是熱量在界面堆積。研究團隊將這種由材料熱屬性差異引發的瞬時溫差動態過程，轉化為識別材料的關鍵信號（圖1）。

圖2. 凝膠機械性能調控與表征

圖3. 熱電凝膠主動壓阻敏感機制和性能

  水凝膠表面具有類似皮膚褶皺的金字塔微結構，內部則具有梯度模量，使其具備超高壓力靈敏度（53.6 kPa^-1）、快響應（110 ms）和寬量程（0-500 kPa），同時異常堅韌（韌性26.22 MJ m^-3）（圖2）。該凝膠受體的“自驅動”能力源于人體皮膚持續散發的熱量。熱電水凝膠通過熱伏效應可將人體熱量轉化為電能，利用主動壓阻效應直接“無源”地將壓力感知轉化為可探測的電信號，而無需外部供電（圖3）。當受體接觸物體時，材料的熱擴散能力不同，會導致凝膠冷熱端溫差變化速度（電壓變化率）顯著不同。受“冷熱感覺”原理啟發，通過監測凝膠電壓變化率，受體能在短短80毫秒內（最快40毫秒）識別出材料特性，極大提高了材料識別速度和效率。

圖4. 深度學習賦能自監督觸覺感知

  為了實現開放環境下的可靠感知，團隊仿照皮膚同時處理多種信號的能力，設計了雙通道策略：一個通道實時監測壓力（主動壓阻效應），另一個通道監測溫度相關的熱電信號及其變化率。結合智能算法，系統能自動補償壓力對熱電信號的干擾，最終在隨機按壓條件下實現了高達95.5%的識別準確率，真正做到了自監督觸覺感知（圖4）。這項融合了皮膚仿生結構和溫壓雙通道感知原理，為感覺障礙患者的觸覺功能重建和提升機器人的環境交互能力提供了極具前景的新方案。未來，團隊計劃引入反饋模塊并結合人工突觸技術，模擬真實物體的“冷熱感覺”，構建完整的感知-反饋閉環。該工作以“Bionic multimodal augmented somatosensory receptor enabled by thermogalvanic hydrogel”為題發表在《Advanced Science》上。太原理工大學博士生李寧為第一作者，張虎林教授和臺灣大學林宗宏教授為通訊作者。研究獲國家自然科學基金和山西省科技合作交流專項支持。

  該成果是張虎林教授團隊關于凝膠熱電器件研究的最新進展之一，這項工作構想了深度學習輔助的熱電凝膠電子在觸覺感知和具身智能中的廣闊前景。自2021年以來，張虎林教授團隊制備了一系列基于不同聚合物網絡和氧化還原對的熱電凝膠可穿戴器件，并致力于開拓凝膠熱電器件在人體健康監測和信息交互領域的應用場景，取得了一系列重要研究成果，具體詳見：https://cic.tyut.edu.cn/info/1893/9257.htm

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202505873