论文题目：
Energy landscape–engineered iontronics enable artificial thermoreceptors for augmented bioinspired thermosensation（基于能量景观工程化离子电子学构筑的人工热受体赋能增强型仿生温觉系统）
作者：
李凡、薛华、林修竹、王娟、李娟、赵红然、张彤
完成单位：
集成光电子全国重点实验室吉林大学实验区、吉林大学电子科学与工程学院；吉林大学公共卫生学院
研究背景：
温觉是生物体获取环境信息的重要感知途径。生物体皮肤中的热受体具备毫开尔文级的温度分辨能力，通过与外界持续的热交换，从细微的表皮温度变化中获取丰富的热线索，例如阳光的温暖、微风的凉意、潮湿环境的闷热以及木材与金属触感上的冷暖差异。这种以“热”为核心的多维环境认知能力，是生物体实现环境交互的重要基础（如图1）。
（图1.生物体温觉系统示意图）
与之相比，现有机械系统的温度感知主要基于传感器获取的“绝对温度”。无论是在可解析的环境信息丰富度，还是在捕捉细微温度变化的能力上，人工系统与生物体之间仍存在显著差距。若要使人工系统能够像生物体一样“理解”温度，而非停留在“测量”温度的层面，亟需突破两个核心瓶颈：一是构建具有生物级灵敏度的人工热受体，二是发展超越绝对温度检测范式的全新温度感知策略，使人工系统能够通过热交换过程获取更全面的环境线索。
研究工作：
针对上述问题，吉林大学电子科学与工程学院张彤教授团队提出了一种以离子载流子能量景观调控为核心的新型离电式传感材料构筑策略。研究通过在聚合物电解质中引入可控离子势阱，使离子导电材料呈现出类似“连续能级”的结构化能量景观，从而实现类似于传统半导体中载流子受热激发的载流子热调制机制（图2）。具体而言，团队在聚乙烯醇（PVA）基体中均匀分散聚苯乙烯磺酸钠（PSSNa）亚微球。由于这些亚微球携带固定负电荷，它们会在局域形成深势阱，驱动可迁移阳离子围绕其形成径向分布的“球形离子云”。随着温度升高，势阱中的离子载流子发生重新分布并跃迁至更高能态，使有效载流子浓度随温度呈指数式提升。基于该机制构建的柔性人工热受体对低至1.2 mK的细微温差即可产生响应，灵敏度达到迄今柔性温度传感器领域已报道的最高水平。
(图2. 人工热受体温敏机制示意图)
在此基础上，研究团队进一步实现了人工热受体的阵列化，并将其与柔性加热层和水凝胶散热层共同集成，构建出仿生“离子皮肤”（图3）。该人工皮肤通过监测外部刺激对内部热平衡的扰动，可同时解析多类环境热物理线索，不仅能够读取绝对温度，还能够识别风速、湿度、光照、液体蒸发效率及材料导热性等信息，展现出高度接近生物皮肤的多模态热感知能力。
（图3. 仿生离子皮肤结构示意图）
研究成果以“Energy landscape–engineered iontronics enable artificial thermoreceptors for augmented bioinspired thermosensation”为题发表于Science Advances杂志。论文第一作者为李凡博士，共同通讯作者是吉林大学张彤教授和赵红然副教授。
创新突破：
本研究的核心创新在于提出并实现了一种以能量景观调控为基础的普适性离子热敏增强机制。通过构建结构化的电荷势阱分布，离子材料获得了类似半导体能带的连续能级结构，使热激发载流子行为首次在柔性离子导体中得以实现，从而大幅提升温度响应性能。基于该机制构建的人工热受体突破了传统离电式温敏材料依赖化学基团的局限，使高灵敏度与材料可设计性兼具，为离子电子器件发展提供了新的物理基础。
同时，研究团队首次展示了人工皮肤对多种热物理线索进行统一解析的能力，使人工系统能够从温度信号中“反演”环境湿度、风速、光照、材料导热性和蒸发效率等信息，大幅缩小了人工传感与生物热知觉之间的差距，推动人工皮肤从“测温设备”向“环境理解系统”迈进。
研究意义及展望：
基于能量景观调控的离子电子学为人工热受体和仿生感知系统提供了一个可扩展、可设计、具有高度普适性的全新框架。未来，通过调控离子种类、势阱结构或引入多尺度电荷域，该策略有望扩展到离子逻辑运算、离子神经形态器件及智能机器人皮肤等更广泛领域。在应用层面，这一技术将为柔性可穿戴设备、健康监测、材料识别、环境感知和人机交互等方向提供全新的技术可能，为构建具备类生物感知能力的人工系统奠定重要基础。
论文信息：
F. Li, H. Xue, X. Lin, J. Wang, J. Li, H. Zhao, and T. Zhang, Energy landscape–engineered iontronics enable artificial thermoreceptors for augmented bioinspired thermosensation, Sci. Adv. 11, eady2547(2025).
https://doi.org/10.1126/sciadv.ady2547
通讯作者：
张彤
张彤，“长白山”学者特聘教授，吉林大学“唐敖庆学者”卓越教授B岗，全国百篇优秀博士论文指导教师、宝钢优秀教师获得者，吉林省有突出贡献的中青年专业技术人才。中国仪器仪表学会传感器分会理事、中国仪器仪表行业协会传感器分会理事，中国电子学会传感与微系统技术学会气湿敏专业委员会秘书长。教育部教学指导委员会电子信息类专业教学指导委员会委员，吉林省高等学校电子信息类教学指导委员会副主任委员。主要开展面向工业生产安全、环境污染、人体健康以及家居环境等领域的气体、湿度、生物分子的传感检测，开展微纳米传感材料的设计和制备、传感器的结构设计以及应用开发。作为项目负责人，承担国家基金委重点／面上、科技部重点研发课题等，曾获吉林省自然科学一等奖１项、吉林省自然科学学术成果一等奖２项。获中国授权发明专利30多项，发表SCI检索论文370余篇，SCI他引2万多次，是十余种国际著名学术期刊的审稿人。出版教材2部，合作出版学术著作3部。
赵红然
赵红然，吉林大学“唐敖庆学者”青年学者，吉林大学“金种子”计划入选者，主要从离子电子学、离电式传感器件及人工触觉、嗅觉系统的研究工作。以第一/通讯作者在Science Advances、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Microsystems & Nanoengineering等期刊发表SCI检索论文30余篇。作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金项目（C类）等各类国家级科研项目。
排版|刘士博
初审|孔维嘉
复审|辛宏丽
终审|赵红然
指导老师|孟祥羽
责编|电子学院信息技术中心
吉林大学电子科学与工程学院
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