在人工智能與機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展的今天，人機(jī)交互正從“毫米級(jí)"向“微米級(jí)"精度邁進(jìn)。微米級(jí)距離檢測(cè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)安全、精準(zhǔn)、靈巧的人機(jī)交互至關(guān)重要，但現(xiàn)有柔性傳感器通常局限于毫米級(jí)分辨率，成為制約AI機(jī)器人精細(xì)感知的瓶頸。

近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院李亮教授團(tuán)隊(duì)通過以準(zhǔn)一維拓?fù)浒虢饘?TaSe? 納米線為敏感材料，利用光熱電（PTE）效應(yīng)構(gòu)建了柔性觸覺傳感器。器件具備自供電工作（零偏壓）、超寬帶光響應(yīng)（405 nm–10.6 μm）、優(yōu)異彎折穩(wěn)定性（500 次彎折后無(wú)明顯衰減）以及對(duì)形變不敏感的光電流等特性，該傳感器在 100 μm 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 1μm的空間分辨率，證明基于PTE的距離探測(cè)具備微米級(jí)靈敏度，為高級(jí)人機(jī)交互與靈巧機(jī)器人系統(tǒng)提供了新思路。該成果以“Photothermoelectric effect-driven TaSe? tactile sensors for micrometer-scale distance detection"為題發(fā)表在《Nano Research》期刊，第一作者是李剛博士。

引言

過渡金屬三硫族化合物（TMTs，M = Ti, Zr, Hf, Ta, Nb；X = S, Se, Te）是一類獨(dú)特的準(zhǔn)一維層狀材料，在拓?fù)浔砻鎽B(tài)、超導(dǎo)性、高擊穿電流密度和優(yōu)異電磁干擾屏蔽等新興電子技術(shù)領(lǐng)域很具吸引力。TaSe?作為拓?fù)浒虢饘俸蜻x材料，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)：面內(nèi)強(qiáng)共價(jià)Ta-Se鍵，相鄰層通過弱范德華力平面堆疊，這種結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的柔韌性。此外，TaSe?已被證實(shí)具有顯著的塞貝克系數(shù)，直接驗(yàn)證了其作為光熱電器件的潛力。

針對(duì)AI人機(jī)交互中微米級(jí)距離檢測(cè)的挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于TaSe?納米線的柔性PTE傳感器，通過光熱電效應(yīng)將距離變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了自供電、超寬帶、高精度的距離感知，并成功應(yīng)用于機(jī)器人手的人機(jī)交互演示。

三、研究?jī)?nèi)容與主要成果

成果 1：TaSe?納米線的生長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)表征

研究采用化學(xué)氣相傳輸（CVT）法制備了高質(zhì)量準(zhǔn)一維TaSe?納米線，所合成材料呈銀白色，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)厘米。TaSe?沿晶體學(xué)b軸和c軸呈準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)，結(jié)晶為單斜層狀結(jié)構(gòu)，空間群為P2?/m（N0.11）。其基本結(jié)構(gòu)單元由沿b軸排列的兩種平行三角棱柱鏈組成，通過弱范德華力形成準(zhǔn)一維晶體結(jié)構(gòu)。

SEM圖像顯示，機(jī)械剝離獲得的納米線呈彎曲形貌且無(wú)損傷，表明TaSe?作為柔性傳感器具有實(shí)際應(yīng)用潛力。XPS分析證實(shí)了Ta和Se的元素組成，EDS進(jìn)一步確認(rèn)了元素的均勻分布。

在整條「材料生長(zhǎng)—結(jié)構(gòu)表征—機(jī)理驗(yàn)證—器件應(yīng)用」證據(jù)鏈中，拉曼是最早介入、完quan無(wú)損，且wei一同時(shí)給出物相、取向與溫度響應(yīng)的表征手段。本研究中的拉曼光譜測(cè)試采用卓立漢光RTS激光顯微共聚焦拉曼系統(tǒng)完成。拉曼光譜對(duì)晶格振動(dòng)模式、層間耦合和結(jié)晶質(zhì)量高度敏感，是二維材料結(jié)構(gòu)篩查與質(zhì)量評(píng)估的重要工具。在平行和垂直偏振配置下，拉曼光譜在238、214、185、176、164、140、126和108 cm?1處顯示出顯著峰位，分別對(duì)應(yīng)A?g、A?g、B?/A_g、B?/A_g、A?g、A?g、B_g和A_g振動(dòng)模式。

角度分辨偏振拉曼（ARPR）測(cè)試表明，平行偏振下拉曼強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的周期性變化，偏振角從0°到360°以15°步進(jìn)系統(tǒng)變化，散射信號(hào)在平行于入射光偏振的配置下收集。數(shù)據(jù)清晰顯示了拉曼強(qiáng)度對(duì)光照角度的依賴性，表明TaSe?具有顯著的面內(nèi)各向異性聲子振動(dòng)。

溫度依賴?yán)庾V（80-300 K）顯示，隨著溫度升高，拉曼峰顯著紅移。通過線性擬合ω(T) = ω? + χT提取了層間相互作用信息，各拉曼模式的溫度系數(shù)|χ|分別為0.01094、0.01591、0.00653、0.01286、0.01789、0.01286和0.00807 cm?1K?1。χ參數(shù)描述了擬合線的斜率，與溫度對(duì)相鄰層間振動(dòng)的影響程度正相關(guān)。

圖 1　TaSe? 納米線的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)表征。(a)(b) 不同視角下的準(zhǔn)一維晶體結(jié)構(gòu)模型；(c) 機(jī)械剝離所得 TaSe? 納米線的 SEM 圖像；(d) Ta 與 Se 的 XPS 譜；(e) 平行與垂直偏振配置下的拉曼光譜（含未偏振譜）；(f) 平行偏振配置下偏振拉曼強(qiáng)度的偽彩圖；(h) Ta 與 (i) Se 的 EDS 元素分布圖像。標(biāo)尺為 500 nm。

成果 2：光熱電效應(yīng)與微米級(jí)距離檢測(cè)機(jī)制

研究采用機(jī)械剝離的TaSe?納米線制備傳感器，并系統(tǒng)表征了其性能。電阻隨溫度升高而增加，表現(xiàn)出典型金屬行為。塞貝克系數(shù)測(cè)量值為?12.6 μV·K?1，量化了將溫差（ΔT）轉(zhuǎn)換為電壓（ΔU）的能力。

在室溫下，當(dāng)光聚焦于傳感器一端時(shí)，傳感器在零偏壓下產(chǎn)生光電流，表明其自供電特性。532 nm光照下的時(shí)間響應(yīng)顯示響應(yīng)時(shí)間為11.7 ms。

光熱電效應(yīng)驗(yàn)證：通過室溫掃描光電流顯微術(shù)（SPCM）在零偏壓下獲得的圖像顯示，光電流信號(hào)來(lái)自TaSe?-金屬界面及周圍區(qū)域，并觀察到非局域光響應(yīng)。研究排除了光伏效應(yīng)（photovoltaic (PV) effect）和光德姆伯效應(yīng)（photo-Dember (PD) effect），歐姆接觸和遠(yuǎn)離電極的光響應(yīng)排除了光伏效應(yīng)；光電流不局限于接觸區(qū)域排除了光德姆伯效應(yīng)。PTE效應(yīng)同時(shí)產(chǎn)生歐姆接觸和非局域光電流，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

距離檢測(cè)：光電流與光功率呈線性關(guān)系。紅外輻射從靠近傳感器末端的人手指發(fā)射時(shí)，可產(chǎn)生可測(cè)量的電勢(shì)差，與手指-傳感器距離呈線性相關(guān)。距離依賴響應(yīng)源于調(diào)制熱輻射而非直接幾何距離測(cè)量。該傳感器在100 μm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1 μm的空間分辨率，展示了微米級(jí)距離檢測(cè)能力

圖 2　TaSe? 傳感器的光熱電效應(yīng)與距離探測(cè)。(a) TaSe? 傳感器結(jié)構(gòu)示意；(b) TaSe? 兩端電壓隨溫差的變化，用于確定室溫塞貝克系數(shù)（紅線為線性擬合，R2 = 0.999）；(c) 暗態(tài)（黑色實(shí)線）與光照下（紅色實(shí)線）的輸出特性；(d) 光斑位于上、下 TaSe?/Au 界面時(shí)的時(shí)間響應(yīng)；(e) 零偏壓、532 nm 激發(fā)下 TaSe? 傳感器的 SPCM 圖像；(f) 光電流強(qiáng)度隨光功率的變化（實(shí)線為線性擬合）；(g) 手指靠近與離開過程中基于 TaSe? 傳感器的距離探測(cè)；(h) 人機(jī)交互示意，紅色虛線標(biāo)示距離變化、引導(dǎo)交互并實(shí)現(xiàn)精確協(xié)同；(i) PTE 機(jī)制實(shí)現(xiàn)微米級(jí)分辨率，傳感器與探測(cè)目標(biāo)間移動(dòng)步距為 0.5 μm。P? 定義為 100 μm 探測(cè)距離下、針對(duì)不同目標(biāo)物所探測(cè)到的光電流，ΔP 為僅由距離變化引起的光電流變化量。

成果 3：柔性傳感性能與AI人機(jī)交互驗(yàn)證

該傳感器在80–280 K寬溫域內(nèi)性能穩(wěn)定（TCR約0.00174 K?1），與PET集成的柔性器件經(jīng)500次彎曲及100°–180°多種角度后光電流仍無(wú)明顯衰減；在零偏壓下實(shí)現(xiàn)405 nm–10.6 μm超寬帶光響應(yīng)，并可集成于機(jī)器人手指，通過“傳感—類腦處理—運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)"三階段完成人機(jī)交互，在100 μm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1 μm微米級(jí)距離分辨率，接近/撤回響應(yīng)上升/下降時(shí)間僅50/60 ms，環(huán)境光下無(wú)干擾，為AI機(jī)器人提供了安全、精準(zhǔn)、靈巧的微米級(jí)距離感知方案。

圖 3　TaSe? 傳感器的穩(wěn)定性與柔性。(a) 溫度相關(guān)的輸出曲線（80–280 K）；(b) 經(jīng)歷不同彎折循環(huán)次數(shù)（50、100、150、200、300、500 次）后的光響應(yīng)曲線；(c)(d) 自供電傳感器在 100°、125°、145°、180° 等不同曲率彎曲下性能穩(wěn)定，顯示出應(yīng)變不敏感的光電流。

圖 4　微米級(jí)距離探測(cè)能力。(a) 仿人手指結(jié)構(gòu)的指尖觸覺傳感器整體結(jié)構(gòu)示意（含 I 感知、II 數(shù)據(jù)處理、III 電機(jī)驅(qū)動(dòng)三個(gè)環(huán)節(jié)）；(b) 傳感器與探測(cè)目標(biāo)間移動(dòng)步距分別為 1 μm 與 10 μm 時(shí)的響應(yīng)曲線，上升/下降時(shí)間為 50/60 ms。

結(jié)論

本研究開發(fā)了一種基于PTE效應(yīng)的柔性觸覺傳感器，解決了AI機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：缺乏成熟的微米級(jí)精細(xì)距離檢測(cè)傳感器。PTE效應(yīng)是核心工作機(jī)制：不對(duì)稱光照誘導(dǎo)傳感器溫差，產(chǎn)生與手指-傳感器距離線性相關(guān)的電勢(shì)差。研究選擇了具有柔性的準(zhǔn)一維拓?fù)浒虢饘俨牧希淙惪讼禂?shù)已得到確認(rèn)，適合用于基于PTE的距離檢測(cè)。

該傳感器可精確檢測(cè)微米級(jí)距離，并成功集成到機(jī)器人手中，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)感知—數(shù)據(jù)處理—電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)交互閉環(huán)，展現(xiàn)出 PTE 距離響應(yīng)機(jī)制在靈巧機(jī)器人系統(tǒng)中的重要價(jià)值。

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本研究使用卓立漢光 RTS2多功能激光共聚焦顯微拉曼光譜系統(tǒng)完成拉曼光譜測(cè)試，可選配偏振拉曼模塊（偏振片/半波片，支持角分辨偏振測(cè)試）、變溫臺(tái)（液氮~高溫，原位變溫拉曼）、以及 XYZ 自動(dòng)面掃描成像，匹配低維材料在物相鑒定、各向異性分析、變溫原位研究等方面的需求。如需了解同類產(chǎn)品，歡迎咨詢卓立漢光。

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