在人工智能與機器人技術快速發展的今天，人機交互正從“毫米級"向“微米級"精度邁進。微米級距離檢測對于實現安全、精準、靈巧的人機交互至關重要，但現有柔性傳感器通常局限于毫米級分辨率，成為制約AI機器人精細感知的瓶頸。

近日，中國科學院合肥物質科學研究院李亮教授團隊通過以準一維拓撲半金屬 TaSe? 納米線為敏感材料，利用光熱電（PTE）效應構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（405 nm–10.6 μm）、優異彎折穩定性（500 次彎折后無明顯衰減）以及對形變不敏感的光電流等特性，該傳感器在 100 μm 范圍內實現了 1μm的空間分辨率，證明基于PTE的距離探測具備微米級靈敏度，為高級人機交互與靈巧機器人系統提供了新思路。該成果以“Photothermoelectric effect-driven TaSe? tactile sensors for micrometer-scale distance detection"為題發表在《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）是一類獨特的準一維層狀材料，在拓撲表面態、超導性、高擊穿電流密度和優異電磁干擾屏蔽等新興電子技術領域很具吸引力。TaSe?作為拓撲半金屬候選材料，具有獨特的結構：面內強共價Ta-Se鍵，相鄰層通過弱范德華力平面堆疊，這種結構賦予其優異的柔韌性。此外，TaSe?已被證實具有顯著的塞貝克系數，直接驗證了其作為光熱電器件的潛力。

針對AI人機交互中微米級距離檢測的挑戰，研究團隊設計了基于TaSe?納米線的柔性PTE傳感器，通過光熱電效應將距離變化轉化為電信號，實現了自供電、超寬帶、高精度的距離感知，并成功應用于機器人手的人機交互演示。

三、研究內容與主要成果

成果 1：TaSe?納米線的生長與結構表征

研究采用化學氣相傳輸（CVT）法制備了高質量準一維TaSe?納米線，所合成材料呈銀白色，長度可達數厘米。TaSe?沿晶體學b軸和c軸呈準一維結構，結晶為單斜層狀結構，空間群為P2?/m（N0.11）。其基本結構單元由沿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一維晶體結構。

SEM圖像顯示，機械剝離獲得的納米線呈彎曲形貌且無損傷，表明TaSe?作為柔性傳感器具有實際應用潛力。XPS分析證實了Ta和Se的元素組成，EDS進一步確認了元素的均勻分布。

在整條「材料生長—結構表征—機理驗證—器件應用」證據鏈中，拉曼是最早介入、完quan無損，且wei一同時給出物相、取向與溫度響應的表征手段。本研究中的拉曼光譜測試采用卓立漢光RTS激光顯微共聚焦拉曼系統完成。拉曼光譜對晶格振動模式、層間耦合和結晶質量高度敏感，是二維材料結構篩查與質量評估的重要工具。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，分別對應A?g、A?g、B?/A_g、B?/A_g、A?g、A?g、B_g和A_g振動模式。

角度分辨偏振拉曼（ARPR）測試表明，平行偏振下拉曼強度呈現明顯的周期性變化，偏振角從0°到360°以15°步進系統變化，散射信號在平行于入射光偏振的配置下收集。數據清晰顯示了拉曼強度對光照角度的依賴性，表明TaSe?具有顯著的面內各向異性聲子振動。

溫度依賴拉曼光譜（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|χ|分別為0.01094、0.01591、0.00653、0.01286、0.01789、0.01286和0.00807 cm?1K?1。χ參數描述了擬合線的斜率，與溫度對相鄰層間振動的影響程度正相關。

圖 1　TaSe? 納米線的準一維結構表征。(a)(b) 不同視角下的準一維晶體結構模型；(c) 機械剝離所得 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度的偽彩圖；(h) Ta 與 (i) Se 的 EDS 元素分布圖像。標尺為 500 nm。

成果 2：光熱電效應與微米級距離檢測機制

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

在室溫下，當光聚焦于傳感器一端時，傳感器在零偏壓下產生光電流，表明其自供電特性。532 nm光照下的時間響應顯示響應時間為11.7 ms。

光熱電效應驗證：通過室溫掃描光電流顯微術（SPCM）在零偏壓下獲得的圖像顯示，光電流信號來自TaSe?-金屬界面及周圍區域，并觀察到非局域光響應。研究排除了光伏效應（photovoltaic (PV) effect）和光德姆伯效應（photo-Dember (PD) effect），歐姆接觸和遠離電極的光響應排除了光伏效應；光電流不局限于接觸區域排除了光德姆伯效應。PTE效應同時產生歐姆接觸和非局域光電流，與實驗結果一致。

距離檢測：光電流與光功率呈線性關系。紅外輻射從靠近傳感器末端的人手指發射時，可產生可測量的電勢差，與手指-傳感器距離呈線性相關。距離依賴響應源于調制熱輻射而非直接幾何距離測量。該傳感器在100 μm范圍內實現了1 μm的空間分辨率，展示了微米級距離檢測能力

圖 2　TaSe? 傳感器的光熱電效應與距離探測。(a) TaSe? 傳感器結構示意；(b) TaSe? 兩端電壓隨溫差的變化，用于確定室溫塞貝克系數（紅線為線性擬合，R2 = 0.999）；(c) 暗態（黑色實線）與光照下（紅色實線）的輸出特性；(d) 光斑位于上、下 TaSe?/Au 界面時的時間響應；(e) 零偏壓、532 nm 激發下 TaSe? 傳感器的 SPCM 圖像；(f) 光電流強度隨光功率的變化（實線為線性擬合）；(g) 手指靠近與離開過程中基于 TaSe? 傳感器的距離探測；(h) 人機交互示意，紅色虛線標示距離變化、引導交互并實現精確協同；(i) PTE 機制實現微米級分辨率，傳感器與探測目標間移動步距為 0.5 μm。P? 定義為 100 μm 探測距離下、針對不同目標物所探測到的光電流，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人機交互驗證

該傳感器在80–280 K寬溫域內性能穩定（TCR約0.00174 K?1），與PET集成的柔性器件經500次彎曲及100°–180°多種角度后光電流仍無明顯衰減；在零偏壓下實現405 nm–10.6 μm超寬帶光響應，并可集成于機器人手指，通過“傳感—類腦處理—運動驅動"三階段完成人機交互，在100 μm范圍內實現1 μm微米級距離分辨率，接近/撤回響應上升/下降時間僅50/60 ms，環境光下無干擾，為AI機器人提供了安全、精準、靈巧的微米級距離感知方案。

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

圖 4　微米級距離探測能力。(a) 仿人手指結構的指尖觸覺傳感器整體結構示意（含 I 感知、II 數據處理、III 電機驅動三個環節）；(b) 傳感器與探測目標間移動步距分別為 1 μm 與 10 μm 時的響應曲線，上升/下降時間為 50/60 ms。

結論

本研究開發了一種基于PTE效應的柔性觸覺傳感器，解決了AI機器人領域的一個關鍵挑戰：缺乏成熟的微米級精細距離檢測傳感器。PTE效應是核心工作機制：不對稱光照誘導傳感器溫差，產生與手指-傳感器距離線性相關的電勢差。研究選擇了具有柔性的準一維拓撲半金屬材料，其塞貝克系數已得到確認，適合用于基于PTE的距離檢測。

該傳感器可精確檢測微米級距離，并成功集成到機器人手中，實現了自適應人機交互，實現感知—數據處理—電機驅動的自適應交互閉環，展現出 PTE 距離響應機制在靈巧機器人系統中的重要價值。

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