本文为单一原创研究论文，以下为学术报告。

本研究由来自中国科学技术大学纳米科学技术学院、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所i-lab以及中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院的夏爽、白玉媛、白菊、袁深、李胜钊、张挺、李铁等人完成。通讯作者为张挺（tzhang2009@sinano.ac.cn）和李铁（tli2014@sinano.ac.cn）。该研究发表于 *advanced functional materials*，2026年，第36卷，文章编号e75562，DOI为10.1002/adfm.75562。

该研究属于柔性传感器与多功能感知材料领域。柔性传感器作为连接物理世界与数字智能的关键接口，在人形机器人、人机交互和可穿戴设备中具有重要地位。然而，现有柔性传感器在传感精度、响应选择性和信号解耦方面往往难以兼顾。其主要挑战源于敏感材料设计：一方面，多数材料基于同一传感机制或共享传输路径，导致压力与温度响应相互干扰；另一方面，高灵敏压力传感通常需要低模量多孔结构，而此类结构又会分散活性组分，削弱温度感知能力。为突破上述瓶颈，研究者以人体皮肤为仿生原型，利用其从表皮到真皮的弹性模量梯度以及机械感受器和温度感受器在空间上的分区分布特征，设计了一种具有双重梯度结构的HEC-CNT/Bi₂Te₃纳米线气凝胶，并以此组装双模式柔性传感器，旨在实现压力与温度的高选择性、高精度同步感知。

研究流程主要包括以下几个环节：首先是CNT/Bi₂Te₃纳米线复合材料的原位合成。研究者利用羧化多壁碳纳米管表面的羧基位点配位Bi³⁺前驱体，促进Bi₂Te₃在CNT表面的定向成核与外延生长，形成纳米线结构。随后，将CNT/Bi₂Te₃与羟乙基纤维素（HEC）在水中均匀混合，HEC的羟基与CNT表面羧基形成氢键，得到均匀胶体悬浮液。其次是双梯度气凝胶的制备。将该悬浮液注入底部嵌有铜板的聚四氟乙烯模具中，先静置使致密的CNT/Bi₂Te₃相在重力作用下向底部沉降，形成自下而上的组分梯度；再利用液氮诱导冰晶从冷端单向生长，经冷冻干燥后形成自上而下孔径逐渐增大的孔尺寸梯度。最终获得兼具孔尺寸梯度与组分梯度的双梯度气凝胶。第三是传感器组装。在气凝胶上下表面涂覆导电银浆并与柔性电极粘接，组装成柔性传感器。第四是性能测试与机理验证。通过扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、氮气吸附等方法表征材料结构；通过力学试验机和电学测试系统评价压阻与热电性能；利用多物理场理论模拟和原位红外热成像验证梯度结构对应力分布、热传递和电势分布的影响。第五是应用验证。将传感器用于电池热失控早期预警和皮肤炎症阶段识别，结合卷积神经网络（CNN）与迁移学习算法对双模式融合信号进行分类与预测。

在材料表征方面，所制备气凝胶呈现顶部孔径约45 µm、底部约5 µm的梯度分布，纵向截面显示垂直对齐且连续的通道。元素线扫描证实Bi和Te从顶部向底部单调增加，验证了组分梯度。XRD结果表明气凝胶为纯Bi₂Te₃相（PDF#85-0439），FTIR和XPS分析揭示了HEC与CNT之间的氢键及界面相互作用。当CNT/Bi₂Te₃与HEC质量比为3:10时，气凝胶的塞贝克（Seebeck）系数为−20.8 µV K⁻¹，电导率为9.6 S m⁻¹，50%应变下压缩应力为15.3 kPa。力学测试表明，双梯度气凝胶在80%高压缩应变下仍能恢复，且在400次循环后应力无明显漂移。压阻测试显示，该传感器的最高灵敏度为−7.97% kPa⁻¹，压力检测极限为5 Pa，分辨率为2 Pa，响应和恢复时间分别为140 ms和160 ms。相较于非梯度器件，双梯度器件在小位移下具有更清晰的响应台阶和更稳定的基线。热电测试表明，该传感器的Seebeck系数为−20.79 µV K⁻¹，约为非梯度结构的两倍，线性度R²=0.999；温度检测极限和分辨率均为0.1 K，且1000次循环后输出稳定。解耦性能测试显示，在不同动态温差或动态压力条件下，压阻相对电阻变化波动小于1%，Seebeck系数在0%–60%压缩应变范围内稳定在−20.7 µV K⁻¹。Pearson相关系数矩阵中，压力与热电压的相关系数为0%，电阻变化与温差的相关系数仅为1%，证明压力与温度响应之间几乎无交叉干扰。在电池热失控预警应用中，由于真实电池热失控实验成本高、安全性差且重复性低，研究者采用铝箔气囊作为替代对象构建替代数据集，并通过双信号融合CNN结合迁移学习，最终对五种热失控风险等级实现了100%的分类准确率，验证误差最大仅为0.037%，显著低于直接训练CNN模型的0.373%。在皮肤炎症阶段识别中，传感器对五种皮肤红肿状态的双信号融合CNN分类准确率达到97%，训练和测试准确率分别为98.2%和97%，无明显过拟合；基于线性回归的愈合时间预测模型R²=0.96，能够较准确地预测剩余愈合天数。

研究结论表明，通过定向冷冻铸造与重力诱导自沉降协同制备的HEC-CNT/Bi₂Te₃双梯度气凝胶，能够有效实现压力与温度传感机制的空间分区，从而在单一器件中同时获得高灵敏度、低检测极限和高选择性。该传感器无需复杂算法补偿或额外电路即可实现自解耦，且在电池安全监测和皮肤损伤评估中展现出优异的模式识别和预测分析能力。该研究的科学价值在于提出了一种仿生双梯度结构设计范式，为多模态高精度感知材料提供了新的思路；其应用价值则体现在人形机器人、可穿戴健康监测和电池安全管理等领域对微弱温度与压力变化的高可靠同步检测需求中。

本研究的亮点主要包括：一是提出并实现了孔尺寸梯度与组分梯度的协同双梯度气凝胶结构，模仿人体皮肤的模量梯度与感受器空间分区；二是利用压阻与热电两种正交物理机制，结合空间功能分区，从器件架构层面抑制信号串扰，实现自解耦；三是采用原位生长方法构建CNT/Bi₂Te₃界面，获得比物理混合更高的Seebeck系数；四是将双模式信号融合与迁移学习相结合，克服了小样本数据在CNN模型中的过拟合问题，在真实场景中实现100%和97%的高精度识别。此外，非接触温度感知能力（在温差20 K下可探测40 mm外的热辐射）也为该传感器在非接触测量场景中的应用提供了可能性。