传感器集成于手指的实际应用演示。受访者供图

■本报记者 张楠

想象一下，未来的服务机器人需要抓取一块巧克力。刚从冰箱拿出的巧克力冰冷坚硬，在室温下放了一会儿的巧克力会变软甚至融化。

在这个过程中，机器人面临着双重任务。一方面，它必须通过感知手指的形变（应变）精准控制握力，防止把巧克力捏碎；另一方面，它需要感知巧克力的温度，因为温度变化直接反映了巧克力的硬度改变，从而决定了它需要施加多大的握力。

近日，中国科学院金属研究所研究员邰凯平团队研发出一种基于碲化铋（Bi2Te3）薄膜的自补偿双功能传感器，同时实现了手势识别与温度感知，并通过自补偿策略，将温度波动对应变测量的干扰降低了87%。相关研究在线发表于《先进功能材料》。

当“多面手”遭遇信号串扰

在可穿戴设备、智能机器人和人机交互领域，能够同时感知温度、压力、形变等多种信息的柔性传感器是不可或缺的核心元件。

在真实物理世界中，人类触觉是多维度的，既能感知物体的形状，也能感知软硬、冷热。因此，赋予机器“多模态”感知能力是实现真正智能交互的前提。

然而，同时具备多种感知能力的传感器往往面临信号串扰的难题。这好比几个人同时在一个嘈杂的房间里说话，你很难听清每个人说了什么。

在传感器中，当多种物理效应共存于同一材料时，环境温度的波动会直接改变材料的电阻，导致传感器对形变的测量严重失准。以抓取巧克力为例，如果传感器因为温度变化产生信号串扰，导致误判形变信号，机器人就会在巧克力变软时用力过猛，将其捏得稀烂。

为解决这个问题，传统工程方案通常“做加法”，添加额外的温度传感器或者叠加多种功能材料。但这些方法不仅让原本追求轻薄的可穿戴设备变得臃肿，还大大增加了信号处理的复杂性，难以满足未来智能设备小型化、柔性化的需求。

面对这一困局，研究团队决定跳出“多材料拼凑”的传统思维，将目光投向经典热电材料——碲化铋。这种材料常用于半导体制冷片，研究人员发现，它不仅具有优异的热电性能，还具备尚未被充分挖掘的压阻特性。由此，只利用碲化铋这一种薄膜实现“一材两用”的破局思路应运而生。

自补偿机制实现自行“纠错”

找到合适的材料，如何让它同时干好两件事并且互不干扰？研究团队设计了一套“自补偿”机制。

具体而言，当碲化铋薄膜两端存在温差时会产生热电电压，可以作为温度的“原位”指示信号；而当薄膜受到拉伸或弯曲时，电阻会发生变化，从而感知形变。

研究人员并没有将这两种信号孤立看待，而是将热电电压作为“内置温度计”，实时监测薄膜的温度变化，随后通过算法，用这个温度信息去校正压阻形变信号中因温度漂移产生的误差。

这就像给传感器装上一个能“自我纠错”的大脑，当温度变化导致形变信号出现偏差时，传感器能自动感知温度变化并实时修正，从而输出纯净、准确的测量结果。

实验数据证明了这一巧思。在没有补偿的情况下，温度每变化1开尔文，形变测量的相对误差在-4.6%~6%之间波动。而采用自补偿策略后，这一误差被大幅抑制，绝对降幅达87%。

更重要的是，整个过程无需任何额外的温度传感器或复杂的多层结构，仅凭单一碲化铋薄膜复合在耐高温的聚酰亚胺柔性基底上，就实现了双功能传感，极大简化了器件设计。

赋予机器人和假肢真实“触觉”

研究人员将这款轻薄柔软的传感器贴附在人类手指上，构建了一套可穿戴双参数感知系统，以验证这项技术的实用价值。

实验结果显示，该系统不仅能通过形变信号准确识别手指弯曲、伸展等复杂手势，还能分辨出不同弯曲角度和速度带来的细微电阻变化。同时，利用热电信号，系统能够以极快的响应速度同步感知手指接触物体的冷热变化。

这种动作与温度交织的综合感知能力，有望彻底打破机器与人类之间的触觉壁垒。

该研究为柔性多功能传感器的小型化、集成化设计提供了新的材料与器件方案，在可穿戴电子、机器人触觉感知、柔性电子皮肤和人机交互等领域具有潜在应用价值。

“这项研究的成功不仅是技术的创新，更是设计理念的升华——从‘多材料拼凑’走向‘单材料多功能’，从‘被动补偿’走向‘主动自补偿’。”论文共同通讯作者邰凯平表示。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1002/adfm.75966