“跨学科的研究让我们成长了很多。此前我也做过一些使用传统模型解耦信号的工作,但是完成这个工作之后,我感觉人工智能在传感信号分析上十分强大,一定是大势所趋!”中国人民大学贺泳霖老师表示。
近日,他和团队使用网格阵列以及结合人工智能技术,打造出一种新型离子电路,实现了对于平面的热和压力的精细感知。未来,经过一定的迭代优化,还有望用于人体活动信息的识别。
高强高湿之下,离子电路“稳如磐石”
贺泳霖认为,基于离子的电路将能成为电子电路的有力补充,它会让柔性可拉伸的器件的开发变得更加容易,在人机交互等领域具有重要应用前景。
多年来,他所在团队始终致力于开发基于离子载流子的功能导体材料。其中,开发图案化的离子电路是课题组的研究方向之一,同时这种电路也是制备复杂离子电路的基础。
此前,他们已经开发了一些基于凝胶材料的离子电路,但是这些电路的制备工艺较为复杂。图案化的凝胶本身比较脆弱,并且容易受到环境湿度干扰。
与此同时,尽管该领域已经在柔性电子和可穿戴电子设备上取得了一定进展,但在实际应用中这些设备往往面临着耐磨性和防水性的挑战。
基于此,他们打算开发一种耐磨损的、更稳定的图案化离子电路。当将其用于人机交互场景之时,即使面对高频率的交互、摩擦,也能保持稳定。
对于此前的大部分离子电路,人们都是尝试将电路修饰到弹性体表面,这样一来离子电路就会突出于基底表面,就像往纸上涂番茄酱,番茄酱会突出于纸张表面一样,一擦就能擦掉。
而贺泳霖的做法类似于将墨水写在纸上,墨水会渗透到纸张内部,等它干了之后即便再有摩擦接触,也无法把已经渗透到纸张内部的墨水擦掉。
在这种思路的指导之下,他们设计出一种聚氨酯弹性膜来作为基底(基底好比是纸张)。
然后,又设计一种离子液体作为墨水。通过结构性的设计,能让以上二者具有很好的相容性,并能将离子液体渗透到聚氨酯薄膜之中。
然后,他们将离子液体加以聚合,这相当于用高分子链将其锁在里边,从而确保拥有较好的耐磨损性能。
基于在互穿网络上的研究经验,他们打算利用互穿网络结构来设计离子电路。
这时,就需要一个离子液体,它不仅具备疏水性,并且能与聚氨酯相容。
在材料设计上,他们主要关心聚氨酯软段能否和离子液体互溶。如果它们能够互相溶解,那么当聚氨酯聚合之后,离子液体大概率可以渗透进去。
基于此,课题组选择了比较疏水、同时柔顺性也比较好的聚丙二醇。与此同时,他们还尝试了不同的离子液体,以观察它们能否被溶解。
找到合适的离子液体之后,课题组以此为骨架,引入了功能性的交联剂和双键。
然而,在完成合成之后,实际效果并没有想象那么好,因为接上双键后的离子液体比较粘稠,渗透进入聚氨酯的速度很慢。
于是,他们又引入一点促渗剂,元素分析结果和荧光显微镜分析结果均显示,离子液体渗进了聚氨酯之中,并形成了一个半圆。
接下来,他们探索了多种图案化方法,包括盖章、直接书写和喷墨打印,并在聚氨酯基底上形成离子电路。
在这一阶段,还得确保离子墨水均匀地渗透到聚氨酯中,并能在固化之后保持电路的完整性。
完成离子电路的制备之后,该团队针对其耐磨性、防水性和电导率加以测试。
为了实现离子电路的智能化,他们将人工智能模型与离子网络相结合,开发出一种多信号识别系统,该系统能够识别温度、压力和按压形状。
而在实际应用的测试中,他们将离子电路直接附着在皮肤上,通过模拟日常使用条件来进行篮球拍打测试。
借此证明:即便在高强度和高湿度的条件下,离子电路依然拥有稳定的性能。
将机器学习用于离子电路信号识别
整个研究中,如何从离子电路所收集到的复杂信号中识别并解耦温度、压力和形状变化的影响,是他们面临的第一个难题。
为解决这一难题,该团队将机器学习技术用于离子电路的信号识别。
为此,贺泳霖专门和同事组织了一个人工智能化学学习小组。通过此,他积累了神经网络开发基础,随后开始尝试开展模型训练。
模型训练是一个既耗时又需要耐心的过程,经常需要等待数小时甚至数天才能完成一次完整的训练。
期间,他们不断地调整超参数、监控网络性能以及重新设计网络架构。有时,即使经过多次调整,模型性能仍然无法达到预期。这时,他们不得不回到问题源头,重新地审视和改进模型设计方案。
信号的测试和收集,是他们面临的第二个难题。在此过程之中,要确保从离子电路中所收集信号的准确性和可靠性,这就得设计精确的实验设备,并在不同温度、不同压力和不同形变等条件下进行测试。
针对所收集到的数据,他们花费整整三周进行收集和标记。每天,都是先在实验室里测试离子电路和记录数据,然后再回到办公室分析数据和处理数据。
一番努力之后,相关论文最终以《直接离子墨水在弹性体上的书写和渗透,用于可图案化、防水和耐磨的离子电路》(Direct Ionic Ink Writing on and Penetrating into Elastomer for Patternable, Waterproof, and Wear-Resistant Ionic Circuits)为题发在 Advanced Functional Materials。
安尧是第一作者,吴君石是共同一作,贺泳霖担任通讯作者 [1]。
贺泳霖表示,柔性与拉伸性是离子电路的核心优势。当为其增加耐摩擦性和防水特性,则可以提升最终产品的稳定性。
而基于本次成果可以设计各种离子电路,因此他希望能够利用这些不同的图案,实现更加复杂的功能。
人和其他动物都是使用离子作为信号传递的载流子,因此他相信离子作为载流子一定有它的独特之处。
在贺泳霖眼中,本次研究只是基于材料和工艺提出了一款离子导体制备新方案,尽管它比之前的方法更简便、更具备高性能,但其对于材料相容性仍有一定要求。
因此,未来他希望打造出一款标准化技术,以作为离子电路的基础性技术和通用性技术。
对于这款标准化技术来说,它必须足够简单,并能适用于各种离子。目前,他和团队已经获得了一些初步新结果,预计不久之后就会公布于世。
参考资料:
1.An, Y., Wu, J., Xu, B., Zhu, J., Ma, A., Wang, W., … & He, Y. (2024). Direct Ionic Ink Writing on and Penetrating into Elastomer for Patternable, Waterproof, and WearResistant Ionic Circuits.Advanced Functional Materials, 2413434.
文章来自:人工智能实验室