近日，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）杨卓青团队联合上海交大自动化与感知学院王贺升团队、新加坡南洋理工大学等单位，在仿生超分子低温传感研究中取得进展。针对低温环境中微小温度变化难以检测、接触过程中的机械载荷易干扰测温等问题，研究团队受生物温度感知过程中分子结构变化调节跨膜离子传输的原理启发，研制了一种仿生超分子热敏传感器，通过动态氢键网络与离子、电子传输的协同作用，实现了0.01 ℃的微小温度变化检测，并减小了机械载荷对温度信号的干扰。团队进一步结合低噪声读出电路与多通道传感阵列，开展了模拟升空大气降温过程中的温度监测，以及机器人抓取过程中的温度感知与反馈控制实验。相关成果以“Bioinspired supramolecular thermistor for resolving subtle temperature variations”为题在线发表于《Science Advances》。

借鉴生物温度感知原理，构建超分子热敏网络

生物体感知温度时，温度变化会影响温敏离子通道的构象和开放状态，调节离子跨细胞膜的流动，进而改变膜电位，形成电信号。借鉴这一过程中分子结构变化与离子传输相联系的原理，研究团队利用超分子材料中的动态分子相互作用，调节材料内部的导电行为，将温度变化转化为可测量的电阻信号。研究团队构建了具有动态氢键连接和离子、电子传输通路的超分子复合网络，在这一体系中，温度变化不仅影响载流子迁移，还会引起网络结构和界面状态的变化，从而调节电荷传输，降温过程中，这些变化共同作用，使材料电阻对微小温度变化产生较大响应。团队结合温度相关光谱、原位表征及对照实验，对上述过程进行了分析，为理解超分子网络变化与温度响应之间的关系提供了实验依据。

兼顾低温微小温变检测与抗机械干扰能力

低温微小温变检测既需要灵敏的电学响应，也需要减小压力、形变和信号漂移对测量结果的影响。研究团队通过网络结构与界面相互作用的设计，使超分子网络兼顾温度响应和结构稳定性。温度变化时，网络内部的分子相互作用与电荷传输协同变化，将微小温变转化为可测量的电阻信号。器件在低温下能够分辨微小温度变化，并在恒温和反复升降温过程中保持较稳定、可逆的响应，表现出较小的信号漂移和热滞后。同时，网络内部的多重氢键连接有助于维持受压时的界面接触和导电通路稳定，减小机械载荷引起的额外电阻变化。这种兼顾温度感知与机械稳定性的设计，为接触和受压条件下的可靠测温提供了支持。

系统集成及应用验证

研究团队分别面向低温环境监测和常温环境下的机器人触觉测温，开展了应用验证。在低温环境监测方面，针对热敏电阻低温阻值较高、微小信号难以读取的问题，团队设计了配套的低噪声信号采集电路，并利用可编程温控平台，在实验室中模拟探空气球上升过程中的降温条件，研制的传感器与读出电路能够连续跟踪降温过程，并分辨其中的微小温度变化，验证了系统在低温条件下的测量能力。在常温环境下的机器人应用中，研究重点则是接触测温时的抗机械干扰能力，团队将多通道传感阵列集成于机器人指尖，监测抓取过程中的温度分布，并将温度信息用于反馈控制。当接触冷物体、测得温度达到预设阈值时，机器人执行放置和释放动作。实验中，抓取力变化对温度测量的影响较小，表明该传感阵列能够在机械接触过程中保持较稳定的温度感知，为机器人根据接触温度调整操作提供支持。

论文信息

上海交大集成电路学院（信息与电子工程学院）博士生于阳韬、南洋理工大学李亚辉博士、上海交大自动化与感知学院硕士生张栋源为共同第一作者，南洋理工大学李亚辉博士，上海交大自动化与感知学院王贺升教授、集成电路学院杨卓青长聘教授，南洋理工大学郑元谨教授为该工作共同通讯作者。本研究工作得到上海市科技创新行动计划及上海交通大学医工交叉项目支持，集成电路学院陈铭易教授团队为电路设计提供了支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aei0002