近日，中国科大苏州高研院陆晓伟特任研究员与中科院大连化物所姜鹏研究员课题组合作在柔性可穿戴长波红外探测器研制及其非接触温度感知应用方面取得重要进展。相关研究成果以“Touchless thermosensation enabled by flexible photothermoelectric detector for temperature prewarning function of electronic skin”为题发表在《Advanced Materials》上。
仿生触觉是智能机器人感知外部环境刺激的基础。在传统触觉系统中，触觉传感器只在发生物理接触后，才能获取温度信息，无法在接触前对外部刺激作出预判。以红外辐射探测为基础，发展具有非接触温度感知能力的先进触觉传感技术，将有助于为机器人感知领域带来全新的交互体验。根据黑体辐射理论，为构建电子皮肤的非接触冷、热感知功能，需在柔性、可穿戴红外探测器的基础上，实现对长波红外辐射（8-14 μm）的灵敏探测，以识别近室温物体所发出的低强度热辐射。这对红外探测器的机械柔性、探测性能提出了相当高的要求。
图：柔性可穿戴长波红外探测器及其非接触冷热感知性能
光热电探测器是基于光热、热电两个能量转换过程，可在室温、无外部偏置电压的条件下获得宽的谱学响应，从而在与红外探测相关的仿生应用方面具有独特的优势。为构建柔性、可穿戴长波红外探测器，研究人员将碲基热电薄膜与具有长波红外吸收能力的聚酰亚胺衬底进行耦合。碲基热电薄膜在长波红外波段的折射率较高（n ≈ 4.8），且消光系数（表征吸光能力）趋近于零。基于这一特征，通过调节碲基薄膜的厚度，利用薄膜上、下表面反射光的干涉相消，实现了碲基薄膜长波红外透明的特性；进一步通过将干涉相消所在的频率位置与聚酰亚胺红外吸收峰对齐，构建了高效光热电耦合体系。在非接触温度感知性能表征中，随着目标温度从零下50 oC上升至100 oC，所制备的柔性光热电探测器展现出可媲美商业刚性热电堆的灵敏度，其温度分辨能力可达0.05 oC。以此为基础，研究人员利用该红外探测器在接近辐射源过程中响应电压的斜率变化，开发了动态温度预警系统，使得机械手可预先对即将接触的热源有害性进行判定。该工作为在仿生触觉系统中引入红外探测技术提供了可行的解决方案，在机器人交互感知、虚拟现实等领域具有着重要的应用前景。
中国科大苏州高研院陆晓伟特任研究员为论文的共同第一作者、共同通讯作者，中国科大苏州高研院为论文共同通讯单位。
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（ 生物医学工程学院 ）
