给手指装上“电子皮肤”
想象一下，未来的服务机器人正在厨房帮忙处理食材。它需要抓取一块巧克力：刚从冰箱拿出时，巧克力冰冷坚硬；在室温下放了一会儿后，巧克力变得温热柔软。
在这个过程中，机器人面临着一个双重任务：一方面，它必须通过感知手指的形变（应变）来精准控制握力，防止把巧克力捏碎；另一方面，它需要感知巧克力的温度，因为温度的变化直接反映了巧克力硬度的改变，从而决定了它需要施加多大的握力。
这些曾经只存在于科幻电影中的场景，如今正加速走向现实。
近日，中国科学院金属研究所邰凯平团队在柔性传感器领域取得重要突破，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大幅降低了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。
在真实的物理世界中，人类的触觉本身就是多维度的，既能感知物体的形状和软硬，也能感知它的冷热。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。这就好比在一个嘈杂的房间里几个人同时说话，你很难听清每个人的具体内容。
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的变化而产生信号串扰，导致而误判了形变信号，机器人就会在巧克力变软时用力过猛，将美味捏个粉碎。
为了解决这个问题，传统的工程方案通常是“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，作者团队决定跳出“多材料拼凑”的传统思维，将目光投向了经典的热电材料碲化铋。这种材料常用于半导体制冷片，但研究人员发现，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”
找到了合适的材料，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，这个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，其电阻会发生变化，从而感知到形变。
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”，实现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。
就像是给传感器装上了一个能“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进行实时修正，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，绝对降幅高达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，仅凭单一的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。
传感器集成于手指传感器的实际应用演示。金属所供图
实验结果显示，该系统不仅能够通过形变信号准确识别手指的弯曲、伸展等复杂手势，甚至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，不仅是技术上的创新，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
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