本研究由潘曹峰（Caofeng Pan）教授和王春枫（Chunfeng Wang）教授共同担任通讯作者，第一作者为马晓乐（Xiaole Ma）。潘曹峰教授团队主要来自广西大学物理科学与技术学院纳米能源研究中心、中国科学院北京纳米能源与系统研究所，以及中国科学院大学纳米科学与技术学院；王春枫教授团队则来自深圳大学物理与光电工程学院。该研究成果于2022年1月21日在线发表于国际著名学术期刊《ACS Nano》上，论文完整引用信息为：ACS Nano 2022, 16, 2789−2797。
触觉传感器（tactile sensor）是实现人工皮肤（artificial skin）功能的核心元件，在人形机器人（humanoid robotics）和智能假肢（smart prosthetics）等领域具有广泛的应用前景。人体皮肤通过集成的感受器网络，能够同时感知机械刺激和热刺激，使人类能够安全有效地与周围环境进行交互。如何模仿人体皮肤的这一多功能感知特性，是当前柔性电子和智能感知领域的重要研究方向。
在过去的研究中，科学家们已发展了多种策略来实现压力和温度的双模态感知，例如：采用有机半导体与晶体管或电容器结构结合的方式开发大面积压力与热传感器阵列；利用碳纳米材料（如碳纳米管、石墨烯）的多形态（纱线、海绵、微结构等）实现柔性感知；通过金属渗流或网格图案化制备透明感知面板；设计铁电复合材料（ferroelectric composites）的互锁结构以增强自供电感知性能；以及使用导电填料水凝胶（hydrogels）实现自修复和双模态感知等。
然而，这些双模态传感器存在一个共性关键问题：它们对温度和压力的响应信号形式相似，通常表现为电阻、电容、电压或电流的相对变化。这种信号同质性导致压力和温度的信号相互融合、难以区分，使实时监测中无法快速判别刺激来源。因此，后续必须引入复杂的信号分离算法或计算过程，严重制约了其在实际应用中的便捷性和实时性。近期虽有研究通过离子弛豫动力学（ion relaxation dynamics）引入电荷弛豫时间这一额外本征变量来区分压力和温度，为信号解耦提供了新思路，但该领域仍迫切需要一种无需任何算法和计算即可直观、无干扰地读取多模态信号的全新解决方案。
基于上述挑战，本研究提出了一种结合光学与电学这两种本质不同传感机制的双模态触觉传感器，旨在实现压力与温度的同时、独立感知，彻底消除信号串扰，无需任何信号分离算法。
研究团队的核心思想是将力致发光（mechanoluminescence，简称ML）与热阻效应（thermoresistive effect）这两种异质传感机制相结合。其中，压力通过压电/摩擦光子效应（piezo/tribophotonic effect）转化为光信号，温度则通过热阻效应转化为电信号，两种信号因物理本质不同而天然解耦。
传感器采用三明治式层次结构：中心为温度传感层，上下各包覆一层压力传感层。温度传感层由聚（3,4-乙烯二氧噻吩）:聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）薄膜和铜叉指电极（copper interdigital electrode）构成，PEDOT:PSS厚度约3微米，铜电极厚度可忽略不计。压力传感层则是将ZnS−CaZnOS力致发光杂化材料嵌入丙烯酸聚合物（acrylic polymer）基体中制成，每层厚度约0.5毫米。由于上下压力层的厚度远大于中间温度层，温度传感层处于近似中性力学区域，有效实现了应变解耦，进一步保证了压力感知不会干扰温度测量。
研究团队通过高温固相反应合成了ZnS−CaZnOS力致发光杂化材料。具体过程为：将CaCO₃、ZnS和MnCO₃按Ca:Zn:Mn摩尔比1:2:0.01在玛瑙研钵中均匀混合，加入乙醇辅助研磨至挥发殆尽；将混合物转移至刚玉舟中，在80°C烘箱干燥4小时；随后在卧式管式炉中，于80 sccm氩气气氛下，首先以10°C/分钟升温至800°C保温1小时，再以5°C/分钟升温至1100°C保温4小时，最后自然冷却至室温，经过球磨得到微细粉末。
X射线衍射（XRD）图谱确认了该材料同时含有ZnS相和CaZnOS相的双相特征。能量色散X射线光谱（EDS）面扫图显示Mn掺杂元素同时存在于两相之中。瞬态光致发光衰减曲线在295 nm激发下，监测590 nm和620 nm两个发射波长分别获得两种不同的延迟寿命，表明ZnS:Mn和CaZnOS:Mn均参与了发光过程。ML光谱可解卷积为多个高斯峰，证实两相共同贡献于最终的力致发光发射。这种双相异质结构通过ZnS与CaZnOS界面处的能带偏移（band offset），促进了载流子的转移与复合，从而显著增强了力致发光性能。杂化颗粒平均尺寸约7微米，在多种机械刺激下均可发出明亮鲜艳的光。
压力传感性能：制得的压力传感器在仅2 N（对应约4 MPa压强）的小力下即可发光，ML强度随施力增大而增强，发射峰稳定在约596 nm处。ML强度与施加力呈非线性关系，这归因于力致发光杂化材料的压致发光和摩擦发光共同作用的压电/摩擦光子效应。循环稳定性测试表明，在超过2300次循环中，传感器保持了稳定的ML性能。ML的自发光特性使力的感知无需外部光源，裸眼或相机即可观测。研究团队自主开发了程序，可将ML空间分布转化为三维强度轮廓图，用于解析力的大小和轨迹信息。
温度传感性能：PEDOT:PSS的温度响应源于其载流子迁移率随温度升高而增大的热阻效应，表现为电阻随温度升高而下降。温度传感器在21−60°C范围内的电阻−温度关系可通过三元方程y = 1177.37675 − 25.97355x + 0.44683x² − 0.0028x³进行高精度校准，决定系数（determination coefficient，R²）高达0.99983，证明了电阻与温度间优良的相关性。相对电阻变化灵敏度为−0.6% °C⁻¹。在加热（50°C）和冷却（25°C）循环测试中，归一化电阻变化在多个循环中保持一致，展示了优异的稳定性和可重复性。
双模态感知测试装置由帕尔帖元件（Peltier component）和直流电源控制样品温度，由线性马达和测力计施加并定量力的大小，温度与压力的响应信号分别由LCR测量仪（Agilent E4980A）和光纤光谱仪（Ocean Optics QE65Pro）同时采集记录。
关键测试结果如下： 1. 压力对温度测量的无干扰性：在40°C恒定温度下施加不同大小的力，温度响应曲线完全重合，证明压力变化不影响温度传感。 2. 温度对压力测量的无干扰性：在6 N恒定力作用下改变温度，ML光谱完全重叠，表明在测试温度范围内，温度变化不影响压力传感。 3. 同步独立感知能力：在连续变化的压力和温度刺激下，光学信号和电学信号各自保持稳定响应，彼此完全解耦，证实了传感器无干扰的双模态感知能力。
基于该双模态传感器感知与发光双重特性，研究团队开发了面向人机交互的两种创新应用。
加密通信应用程序：传感器能够将施加的压力通过ML强度转换为二进制信息（强度超过阈值判定为“1”，低于阈值判定为“0”），利用预设的二元密码表将力学信号转化为字母、数字乃至单词、句子。演示中，ML信号成功转换为字母“B”（对应二进制数据[0, 0, 0, 0, 1]），并实现了“BINN”等单词的加密传递。这种“压力−光−信息”的转换过程对于机器人是可识别的，而对于人类观察者则直接可视，构建了一种新型的直观化人−机器人加密交互方式。同时，温度感知功能可同步进行，互不干扰。
无线远程监测应用程序：研究团队开发了定制的智能手机应用程序，可将传感器采集的温度和压力数据上传至云端，再在手机端提取并显示。远程交互演示成功实现了压力传递信息及温度、压力传感信号的远程同步读取，为穿戴者与监护者之间的便捷远程交互以及无线健康监测系统提供了方案雏形。
本研究成功展示了一种基于力致发光和热阻效应异质机制的双模态触觉传感器，从根本上解决了多模态传感器信号相互干扰的长期挑战。传感器无需任何信号分离算法或计算，即可实现温度（灵敏度−0.6% °C⁻¹，工作范围21−60°C）和压力（检测极限2 N）的同时、独立感知。该传感器在人形机器人的外部环境感知、加密信息交互以及无线健康监测等领域展现出重要应用潜力。
研究亮点： 1. 创新性机制融合：首次将光学（力致发光）与电学（热阻效应）这两种物理本质完全不同的传感机制整合于单一器件，从而实现信号天然无串扰，无需后续算法解耦。 2. 结构设计巧妙：通过“厚压力层−薄温度层−厚压力层”的三明治结构，在温度传感层形成近似中性力学区域，从机械设计层面进一步强化了应变解耦。 3. 直观可视化交互：力致发光的自发光特性赋予传感器“所见即所得”的视觉感知能力，不仅实现了力的自供能检测，更开创性地将压力转化为可见光加密信息，为人机交互提供了全新途径。 4. 无线系统集成：开发的无线数据传输和手机应用程序，使该传感器向可穿戴、可远程监测的实际应用迈出了重要一步。
该工作为多模态传感领域提供了一种未被探索的解决方案——通过引入异质机制来实现信号的自解耦，其设计理念可广泛推广至其他多功能传感设备的开发中。