1.研究背景
随着物联网与人工智能技术的飞速发展，食品安全快速筛查、水环境实时监测、智能机器人多模态交互等场景，对液体理化特性的快速、精准、原位检测需求日益迫切。电子舌技术（E–tongue）凭借其固有的低选择性与强交叉敏感性，在复杂液体快速识别场景中展现出独特优势；而基于液固接触起电普适原理的摩擦电传感器（TES），作为一种零能耗、自驱动的传感技术，天然适配电子舌的广谱检测需求，成为构建新一代电子舌的重要技术路径。然而，现有基于液滴的TES大多仅依赖位移电流驱动，其信号产生过程与液滴运动过程高度耦合：在液滴接触、铺展与滑移过程中，界面电荷重构与流体动力学行为同步演化，导致理化信息在时域与幅值上深度交织。这种固有耦合机制使得多维特征难以有效解耦与提取，通常需要借助复杂的阵列结构设计或多通道信号采集策略来弥补单一器件的信息维度不足。因此，如何在保持器件结构简洁性的同时，实现多维信息的解析与感知，已成为制约TES进一步小型化、集成化与实用化发展的关键问题。
2.文章概述
近日，鲁东大学董君领衔的泰山学者团队受动物舌头味觉—触觉双模态协同感知机制启发，提出了一种基于全电流摩擦电传感新机制的仿生双感知摩擦电子舌（TE–tongue）。该全电流摩擦电传感器（TC–TES）借助其独特的液滴电荷穿梭架构，通过传导电流对载流子输运路径进行调控，从而在单一自驱动器件内即可生成时空分辨的双峰直流信号，自主解耦并同步获取液体的化学组成（味觉感知）与液体质地（触觉感知）双维度特征。结合深度学习算法，验证了该器件的双感知能力，并在13种市售饮料的复杂识别任务中实现了99.93%的超高准确率。本研究为多维度液体传感建立了全新范式，有望推动电子舌技术在食品安全、环境监测、智能人机交互等领域的发展。该成果以“Bioinspired dual–perception triboelectric tongue for precise liquid identification”为题发表在Device期刊上，https://doi.org/10.1016/j.device.2026.101109。相关摩擦电子舌技术已获中国发明专利授权（专利号：ZL202510990698.4）。
3.文章亮点：
1.提出了一种具有开创性与普适性的全电流传感新范式。
2.推动摩擦电传感机制由传统位移电流模式向全电流模式演进。
3.通过载流子的时空精准调控，实现流体行为与电学响应信号的解耦。
4.构建仿生双模态感知策略，实现对复杂液体的高精度识别。
4.图文导读：
图1. 仿生双感知摩擦电子舌的设计。（A）生物味觉形成示意图：舌头通过触觉和味觉感知食物，信号经特定神经通路传至大脑形成完整味觉识别。（B）双感知味觉传感系统示意图：该系统采用全电流纳米发电机（TCNG）模拟舌头的触觉和味觉感知机制，同时捕获液滴的理化性质，通过深度学习实现精确味觉识别。
如图1所示，生物舌头的味觉形成依赖触觉与味觉的双模态协同感知，舌部分布的味蕾作为化学传感器，可捕获液体中分子与离子成分的变化，上皮层内的机械感受器则可感知液体的压力、摩擦等质地相关特性，两类信号经特定神经通路传递至大脑分析处理，最终形成完整的味觉识别。受此生物机制启发，作者设计了基于全电流纳米发电机的双感知味觉传感系统，以液固接触时界面双电层的特异性响应，模拟味觉受体对液体化学成分的识别功能，以传感器内独特的液滴电荷穿梭结构，捕获液滴铺展、收缩、滑动等流体动力学行为，模拟机械感受器对液体质地的触觉感知功能，最终通过深度学习算法对捕获的液滴理化特征进行分析，实现液体的高精度识别。
图2. TC–TES的基本架构设计。（A）和（B）DC–TES与TC–TES的结构示意图。（C）和（D）DC–TES与TC–TES的典型物理过程。（E）和（F）液滴在DC–TES与TC–TES表面的同步铺展动力学示意图。（G）和（H）DC–TES与TC–TES的电学响应关联示意图，包括电流响应（I，nA）、电极连接状态（CS，1表示与电极连接，0表示未连接）和液滴铺展面积（A，cm²）。
如图2所示，作者从结构、工作物理过程、液滴铺展动力学与电学响应四个维度，系统对比了传统位移电流驱动的摩擦电传感器（DC–TES）与本研究提出的全电流驱动摩擦电传感器（TC–TES）的核心差异。DC–TES采用经典单电极设计，液滴在整个接触过程中始终处于电极的影响范围内，其位移电流的时空演化与液滴流体力学行为严格同步，产生强耦合的连续交流响应，无法实现载流子的可控触发与精准调控；而TC–TES采用创新的液滴电荷穿梭架构，通过空间与时间上分离的电荷输运路径，实现了流体力学过程与电学响应的解耦，液滴在铺展阶段接触顶电极触发电子注入，收缩滑动阶段无电荷转移，接触底电极时触发空穴的定向转移，最终生成时空分辨的双峰直流信号，突破了传统DC–TES信号强耦合的核心瓶颈。
图3. TC–TES的工作机制与电学输出特性。（A）TC–TES逐步工作原理示意图。（B）双峰信号中定义的11个特征参数。（C–E）摩擦层材料和电荷收集针规格对双峰幅度和积分的影响。（误差棒为50次连续测量的样本标准差）（F–H）电极间距和液滴下落高度调整对双峰幅度和峰间隔的影响。（I–L）液滴体积变化对双峰幅度、积分和峰间隔的影响。
如图3所示，作者分步解析了TC–TES的稳态工作原理，明确了液滴撞击、接触顶电极产生第一电流峰（P1）、收缩滑动、接触底电极产生第二电流峰（P2）的完整电荷输运与信号生成全过程，并基于双峰信号量化定义了11个关键特征参数，包括双峰值各自的幅值、升/降速率、半高宽、电流积分，以及两个峰值间的峰间距，为液体多维特征的精准提取与识别奠定了量化基础。作者系统开展了器件参数优化实验，明确了摩擦电层材料、电荷收集针规格、电极间距、液滴下落高度、液滴体积等关键参数对信号特征的调控规律，确定了最优材料组合，同时通过连续测试验证了器件优异的长期工作稳定性，为后续传感应用提供了可靠的器件基础。
图4. 仿生TE–tongue的双维传感信号分析与识别。（A）味觉传感中不同质量分数的NaCl、葡萄糖和乙醇溶液的电流信号。（B）触觉传感中不同装置倾角（35°/45°/55°）下三种下落高度（5/10/15 cm）的电流信号。（C）仿生双感知系统流程图，由深度学习赋能液滴分类与验证。（D）用于深度学习的TCSN模型架构。（E）倾角–高度识别任务的混淆矩阵（3种高度×3种倾角）。
如图4所示，作者系统验证了TE–tongue的味觉与触觉双感知能力：在味觉感知测试中，以不同质量分数的NaCl、葡萄糖和乙醇溶液为分析物，阐明了离子浓度的电荷屏蔽效应、葡萄糖分子的竞争吸附特性、乙醇的接触起电能力与黏度变化对信号特征的差异化调控机制，验证了器件对液体化学成分的特异性响应能力；在触觉感知测试中，通过调控器件倾角与液滴下落高度，明确了液滴铺展面积、滑动过程与信号特征的强关联关系，验证了器件对液体质地相关流体力学特性的精准感知能力。同时，作者构建了基于卷积神经网络的全电流脉冲网络（TCSN）深度学习框架，设计了数据预处理、数据增强、特征提取与分类的完整识别流程，训练后的TCSN模型在触觉与味觉感知任务中均实现了97%以上的识别精度，其中倾角–高度识别任务的平均准确率达99.22%，充分验证了双感知系统的优异识别性能。
图5. 复杂应用场景下的液体识别。（A）14种溶液（纯水及13种市售饮料）的信号双峰幅度对比。（B）14种溶液P1和P2的上升与下降速率对比。（C）14种溶液的特征条形码。（D）测试集经模型处理后的三维t–SNE聚类图。
如图5所示，为验证TE–tongue在真实复杂场景中的应用性能，作者选取纯水与13种市售商用饮料（涵盖碳酸饮料、果汁饮料、酒类、电解质饮料四大类）共14种样本构建测试集，模拟真实应用中的多类别液体识别需求。通过信号特征对比发现，不同饮料因化学成分与物理质地的差异，展现出特异性极强的双峰信号特征。作者通过14种溶液特征条形码，直观展现了不同液体11个信号特征的差异，验证了TE–tongue优异的广谱检测能力；基于TCSN模型，该系统对14种溶液实现了99.93%的超高识别准确率，三维t–SNE聚类图也证实了不同液体特征的有效聚类，充分证明了其在复杂多类别液体识别任务中的优异性能。
5.结论
受生物舌头多模态感知机制启发，本研究基于全电流驱动的摩擦电传感器（TC‑TES）构建了一种仿生双感知摩擦电舌（TE‑tongue）系统。相较于传统位移电流驱动摩擦电传感器（DC–TES）中位移电流与传导电流在信号生成过程中的强耦合特性，TC‑TES借助其独特的液滴电荷穿梭结构，在液滴运动过程中实现载流子的时空分离，自主解耦化学成分信号与流体动力学行为信号，从而显著提升传感系统内在物理化学机制的解析清晰度。通过充分挖掘TC–TES的时空映射能力，本文定义了双峰电流信号的11个特征参数，并构建了TCSN模型，系统验证了TE–tongue在独立触觉（液体质地）与味觉（化学组成）感知任务中的优越性能。在包含13种市售饮料的复杂识别场景中，特征条形码直观展示了TE–tongue兼具广谱响应与高特异性的能力；结合模型，实现高达99.93%的识别准确率，充分体现了其在多类别液体识别中的卓越性能。更为关键的是，通过协同调控位移电流与传导电流，TC–TES可在单一器件内高效解码多维信号，克服了传统DC–TES依赖集成结构实现信息提取所带来的系统复杂性，为单器件多模态传感提供了一种新方法。此外，该系统具备自供能与高稳定性优势，可在动态环境中实现液体的实时连续监测，为食品安全、环境监测及智能机器人交互提供高效可靠的解决方案。
本文的第一作者是鲁东大学硕士研究生朱冠华，通讯作者为鲁东大学朱丽丽博士，王美山教授和董君副教授。鲁东大学集成电路学院为该论文唯一通讯单位。该工作受到国家自然科学基金、山东省泰山学者人才工程项目以及山东省自然科学基金的资助。该成果系鲁东大学首次以第一及通讯单位在Cell Press旗下旗舰期刊、Cell姊妹刊发表学术论文，标志着学校在相关领域研究取得历史性突破。
6.通讯作者简介：
董君副教授：山东省泰山学者青年专家，中国微米纳米技术学会高级会员、IEEE会员，鲁东大学集成电路学院硕士生导师，微纳机电芯片与智能系统实验室学术带头人。主要从事物联网时代基于微纳力电转换技术的新概念微能源与传感MEMS器件与智能系统研究工作，致力于首创的液固界面全电流纳米发电机开发及其在物理理论、器件架构、材料工艺、管理电路、AI算法以及自驱动片上集成系统技术等方面的系统性研究。目前主持国家自然科学基金、山东省人才工程项目等课题多项，以第一/通讯作者发表在Device、Energy & Environmental Science（入选高被引）、Nano Energy、ACS Appl. Mater. Interfaces等高水平期刊十余篇，授权发明专利3项，参编中英文专著各1章，并担任Nano Energy、Energy、Nanoscale、J. Electroanal. Chem.等SCI期刊的特邀审稿人。基于全新原理开发的直流液滴发电与传感的独创性成果引起国内外同行的广泛关注、图文引用、新闻报道和合作研究。
王美山教授：鲁东大学二级教授，集成电路学院创院院长，山东省光电传感材料与器件微纳制造工程研究中心和山东高校光电探测器特种芯片工程研究中心主任，鲁东大学教授委员会委员，鲁东大学集成电路科学与工程、物理学专业硕士研究生导师及曲阜师范大学、青岛大学兼职博士研究生导师。主要研究方向涵盖集成电路与探测器芯片设计制造、先进功能材料与器件、分子/团簇/材料结构、光谱学及动力学。先后主持国家重点研发计划项目1项、国家自然科学基金项目5项、省自然科学基金面上项目2项等项目，发表SCI收录论文348篇，获山东省自然科学奖一等奖1项、二等奖3项，烟台市自然科学奖二等奖2项。
朱丽丽博士：鲁东大学集成电路学院硕士生导师，中国机械工程学会高级会员。主要从事高端装备润滑材料的摩擦物理化学、界面摩擦电与器件物理等摩擦学相关学科交叉研究工作。近五年，主持省部级项目2项、固体润滑国家重点实验室开放课题及市厅级项目等多个课题，以第一和通讯作者发表在Device、Tribology International、ACS Applied Materials & Interfaces、Applied Surface Science等高水平期刊十余篇，授权中国发明专利4项。
