【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】感知機(jī)械刺激并將其轉(zhuǎn)化為生物電信號(hào)以完成信息感知、傳遞和計(jì)算，是自然界動(dòng)物生存和進(jìn)化的基本生理機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，還可以演化出各種各樣的用以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變環(huán)境的智能行為，如信息處理、學(xué)習(xí)、判斷、反饋等。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，機(jī)械刺激感知的離子通道蛋白在不同組織器官的機(jī)械感覺和轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮著重要作用。通過離子通道、細(xì)胞膜受體和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為生物信號(hào)，并被細(xì)胞識(shí)別感知。
模擬上述的生物智能行為是面向人工智能領(lǐng)域的功能集成系統(tǒng)的重要發(fā)展目標(biāo)，也是未來柔性機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方向。然而，目前的柔性機(jī)電智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本上是依賴于分布式功能單元的集成，系統(tǒng)的功能性集成是通過組裝不同單一功能器件來實(shí)現(xiàn)的，不同單元之間的連接和協(xié)調(diào)不匹配問題十分突出。因此，如何在有限的系統(tǒng)空間內(nèi)高度集成供能、傳感、信號(hào)轉(zhuǎn)化和信號(hào)處理等多種功能已經(jīng)成為了人工智能系統(tǒng)開發(fā)所面臨的重大挑戰(zhàn)。
近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所劉靜、饒偉團(tuán)隊(duì)從生物壓電離子通道蛋白功能機(jī)制中獲得靈感，設(shè)計(jì)了一種面向柔性人工智能領(lǐng)域的仿生液態(tài)金屬機(jī)電一體化器件(LMMD)。在生物體內(nèi)，機(jī)械刺激將引起壓電離子通道蛋白的開關(guān)，從而觸發(fā)細(xì)胞膜內(nèi)外產(chǎn)生離子梯度；類似地，基于液態(tài)金屬的機(jī)電耦合效應(yīng)，機(jī)械刺激將引起液態(tài)金屬液柱的雙模態(tài)切換，從而觸發(fā)電極間產(chǎn)生電荷梯度，形成自供能的輸出狀態(tài)切換行為(圖1)。LMMD的機(jī)電性能遵循生物神經(jīng)系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)制，符合全或無定律，輸出信號(hào)的信噪比可達(dá)40 dB(圖2)。
基于LMMD的輸出狀態(tài)切換行為特性，可以構(gòu)建出不同的信號(hào)運(yùn)算功能，其中包括信號(hào)邏輯運(yùn)算、三進(jìn)制線性運(yùn)算(加、減法運(yùn)算)(圖3)，以及信號(hào)模擬運(yùn)算(信號(hào)放大和信號(hào)濾波)(圖4)。另外，研究進(jìn)一步證實(shí)了LMMD在智能識(shí)別、信息編碼、通信和控制等方面的潛在應(yīng)用價(jià)值(圖5和圖6)。這項(xiàng)工作將為推動(dòng)新一代柔性人工智能系統(tǒng)的發(fā)展開辟新思路。相關(guān)成果以 Biomimetic Liquid Metal Mechatronic Devices為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。
在柔性電子領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)近期還針對(duì)液態(tài)金屬微納電路制造的普適性難題開展了流體動(dòng)力學(xué)分析，從仿生學(xué)角度提出了差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)誘導(dǎo)的自組裝方法。相關(guān)成果以Bio-Inspired Differential Capillary Migration of Aqueous Liquid Metal Ink for Rapid Fabrication of High-Precision Monolayer and Multilayer Circuits為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。
圖1 LMMD的仿生設(shè)計(jì)。a. i)壓電蛋白的壓敏行為。ii) LMMDs的仿生的狀態(tài)切換行為。b. LMMDs的集成功能及其在柔性人工智能系統(tǒng)中的應(yīng)用。
圖2 LMMD的機(jī)電特性。a. LMMD的響應(yīng)過程。i) LMMD的管道式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ii) 激活階段；iii) 恢復(fù)階段。b.液態(tài)金屬液柱與電極間距的影響。c.溶液濃度的影響。d. 溶液種類的影響。e. 器件串聯(lián)的輸出響應(yīng)。f. 輸出信號(hào)的時(shí)序控制，包括信號(hào)超前、信號(hào)同步、信號(hào)滯后。g. LMMD的各組成部分的柔性評(píng)估。
圖3 LMMD的邏輯運(yùn)算功能。a. 構(gòu)建的邏輯門的結(jié)構(gòu)原理圖。b. 邏輯門的真值表和輸出電位信號(hào)。c. 三進(jìn)制加、減運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)原理圖。d. 加法運(yùn)算的輸出電位信號(hào)。e. 減法運(yùn)算的輸出電位信號(hào)。
圖4 LMMD的模擬運(yùn)算功能。a. 第一種器件結(jié)構(gòu)示意圖。b. 第二種器件結(jié)構(gòu)示意圖。c. 信號(hào)放大。d. 信號(hào)濾波。e. 對(duì)于第一種器件結(jié)構(gòu)，輸入占空比與輸出占空比的關(guān)系。f. 對(duì)于第二種器件結(jié)構(gòu)，輸入占空比與輸出占空比的關(guān)系。g. 對(duì)于第一種器件結(jié)構(gòu)，波長(zhǎng)與輸出占空比的關(guān)系。h. 對(duì)于第二種器件結(jié)構(gòu)，波長(zhǎng)與輸出占空比的關(guān)系。
圖5 LMMD的機(jī)電交互功能。a. 算法分析輔助的信息識(shí)別功能的原理示意圖。b. 基于不同的按壓習(xí)慣的輸出信號(hào)。c. 輸出信號(hào)特征的對(duì)比五星圖。d. 信息通信和加密過程示意圖。e. 在手動(dòng)輸入模式下，利用輸出電位信號(hào)表示位置信息“TIPC”。f. 在自動(dòng)輸入模式下，利用輸出電位信號(hào)表示情感信息“LOVE”。g. 在自動(dòng)輸入模式下，利用輸出電位信號(hào)表示遇險(xiǎn)求救信號(hào)“SOS”。
圖6 LMMD的機(jī)電控制功能。a. i) 蜘蛛對(duì)腳的陣列控制。ii) LMMD的陣列控制原理示意圖。b. 四個(gè)碳纖維致動(dòng)器同步控制。c. 四個(gè)碳纖維致動(dòng)器的批量控制。d) 四個(gè)碳纖維致動(dòng)器順序控制。
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