热电式电子皮肤是机器人触觉感知和人机交互领域的核心技术之一，能够实现温度检测、热痛觉模拟等仿生功能。然而，现有热电式电子皮肤面临一个根本性难题——接触面积效应导致的信号模糊性：由于热电输出电压取决于总热通量，局部高温刺激与大面积低温刺激会产生完全相同的电信号，导致系统无法区分“高温点源刺激”与“中温大面积接触”这两种截然不同的热危害场景，严重制约了热安全评估的可靠性。此外，传统热电传感器仅能输出瞬时温度信号，无法直观呈现热损伤的空间分布，难以同时实现生物皮肤般的“痛觉预警”与“损伤可视化”双重功能。
图1. 仿生双层电子皮肤的设计原理与应用示意图。
针对上述问题，中国科学院大学郭存悦课题组与深圳大学材料学院陈光明课题组合作，开发了一种热电/聚集诱导发光（AIE）双模态双层电子皮肤，通过热电层与光致发光层的协同耦合，从根本上破解了接触面积效应导致的信号歧义，并首次在单一器件中实现了实时热损伤可视化、精准温度识别（准确率 > 97%）及仿生热痛觉感知。该工作近期发表在材料领域顶级期刊《先进材料》 （Advanced Materials, https://doi.org/10.1002/adma.73540）上。
在该工作中，作者受人体皮肤分层结构的启发，设计了仿生双层架构：底层为基于单壁碳纳米管（SWCNT）与四溴四苯乙烯（4BrTPE）复合的热电层，模拟真皮层伤害感受器，将温度梯度快速转化为电压编码的“痛觉”信号；顶层为4BrTPE/热塑性聚氨酯（TPU）光致发光层，模拟表皮层热损伤后的红斑可视化，通过温度依赖的光致发光猝灭效应，直接以光学方式映射热源接触区域的空间分布。这种“电信号预警 + 光学成像定位”的协同策略，无需复杂算法即可实现温度与接触面积的直接解耦。
进一步研究发现，4BrTPE分子中的溴原子不仅通过Br−Br和C−H−π超分子相互作用实现了分子级均匀分散，还通过电子调控使发光光谱显著红移至绿光区域，有效避免了生物自发荧光的干扰。光物理测试表明，4BrTPE/TPU薄膜具有最长的荧光寿命和最高的量子产率，在−30 ℃至75 ℃范围内呈现优异的温度线性响应，且经500次热循环后信号衰减仅15%。热电性能方面，4BrTPE的引入在SWCNT网络中建立了0.41 eV的界面能量过滤势垒，选择性抑制低能载流子传输，使Seebeck系数提升至55 μV K-1，功率因子达165 μW m-1 K-2，热电优值较纯SWCNT薄膜提升20倍。
基于上述实验观察，研究团队构建了仿生反射弧控制系统：当机械臂指尖电子皮肤接触35 ℃热源时，电压低于1 mV阈值，系统保持接触；接触50 ℃热源时，4.4 s内触发保护性回缩反射，同时发光层明显变暗，模拟“热致疼痛”与“组织损伤”的同步响应；接触60 ℃热源时，回缩时间缩短至2.2 s，发光猝灭更为显著，实现了危险等级与响应强度的正相关。该系统还具备双向感知能力，可同步识别−10 ℃冻伤与60 ℃烫伤，信号恢复时间均小于30 s。
为验证面积解耦策略的普适性，研究团队建立了3 × 3阵列化双模态感知平台，提出了“电压-发光面积”联立的解析解耦模型（ΔT = (AₘₐₓV)/(SA)）。通过光学成像实时提取接触面积A，结合热电电压V，可直接计算出真实温度梯度。实验表明，即使面对不规则“H”形热源，系统对烧伤、热致疼痛、冷致疼痛、冻伤四种状态的识别准确率仍超过97%，从根本上消除了传统单模态热电传感器的面积歧义。
该工作在《先进材料》以研究论文形式发表，该研究“从生物皮肤的分层感知机制中获得灵感，将热电效应与聚集诱导发光巧妙融合，为智能机器人在动态热环境中的安全交互提供了兼具实时性与可靠性的解决方案”。
中国科学院大学博士生霍炳臣和邝凤霞为该论文的共同第一作者，中国科学院大学郭存悦教授、深圳大学材料学院陈光明教授以及杜春雨副研究员为共同通讯作者。
Bingchen Huo, Fengxia Kuang, Chunyu Du, Chengzhi Chen, Qi Sun, Wanqiang Li, Lirong Liang, Hanfu Wang, Cun-Yue Guo, Guangming Chen, Bimodal thermoelectric/AIE e-skin decouples contact-area ambiguity for concurrent pain perception and injury mapping, Adv. Mater. 2026, DOI: 10.1002/adma.73540.
