“跨學(xué)科的研究讓我們成長了很多。此前我也做過一些使用傳統(tǒng)模型解耦信號的工作，但是完成這個(gè)工作之后，我感覺人工智能在傳感信號分析上十分強(qiáng)大，一定是大勢所趨！”中國人民大學(xué)賀泳霖老師表示。
圖 | 賀泳霖（來源：賀泳霖）
近日，他和團(tuán)隊(duì)使用網(wǎng)格陣列以及結(jié)合人工智能技術(shù)，打造出一種新型離子電路，實(shí)現(xiàn)了對于平面的熱和壓力的精細(xì)感知。未來，經(jīng)過一定的迭代優(yōu)化，還有望用于人體活動信息的識別。
（來源：Advanced Functional Materials）
高強(qiáng)高濕之下，離子電路“穩(wěn)如磐石”
賀泳霖認(rèn)為，基于離子的電路將能成為電子電路的有力補(bǔ)充，它會讓柔性可拉伸的器件的開發(fā)變得更加容易，在人機(jī)交互等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
多年來，他所在團(tuán)隊(duì)始終致力于開發(fā)基于離子載流子的功能導(dǎo)體材料。其中，開發(fā)圖案化的離子電路是課題組的研究方向之一，同時(shí)這種電路也是制備復(fù)雜離子電路的基礎(chǔ)。
此前，他們已經(jīng)開發(fā)了一些基于凝膠材料的離子電路，但是這些電路的制備工藝較為復(fù)雜。圖案化的凝膠本身比較脆弱，并且容易受到環(huán)境濕度干擾。
與此同時(shí)，盡管該領(lǐng)域已經(jīng)在柔性電子和可穿戴電子設(shè)備上取得了一定進(jìn)展，但在實(shí)際應(yīng)用中這些設(shè)備往往面臨著耐磨性和防水性的挑戰(zhàn)。
基于此，他們打算開發(fā)一種耐磨損的、更穩(wěn)定的圖案化離子電路。當(dāng)將其用于人機(jī)交互場景之時(shí)，即使面對高頻率的交互、摩擦，也能保持穩(wěn)定。
對于此前的大部分離子電路，人們都是嘗試將電路修飾到彈性體表面，這樣一來離子電路就會突出于基底表面，就像往紙上涂番茄醬，番茄醬會突出于紙張表面一樣，一擦就能擦掉。
而賀泳霖的做法類似于將墨水寫在紙上，墨水會滲透到紙張內(nèi)部，等它干了之后即便再有摩擦接觸，也無法把已經(jīng)滲透到紙張內(nèi)部的墨水擦掉。
在這種思路的指導(dǎo)之下，他們設(shè)計(jì)出一種聚氨酯彈性膜來作為基底（基底好比是紙張）。
然后，又設(shè)計(jì)一種離子液體作為墨水。通過結(jié)構(gòu)性的設(shè)計(jì)，能讓以上二者具有很好的相容性，并能將離子液體滲透到聚氨酯薄膜之中。
然后，他們將離子液體加以聚合，這相當(dāng)于用高分子鏈將其鎖在里邊，從而確保擁有較好的耐磨損性能。
基于在互穿網(wǎng)絡(luò)上的研究經(jīng)驗(yàn)，他們打算利用互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)離子電路。
這時(shí)，就需要一個(gè)離子液體，它不僅具備疏水性，并且能與聚氨酯相容。
（來源：Advanced Functional Materials）
在材料設(shè)計(jì)上，他們主要關(guān)心聚氨酯軟段能否和離子液體互溶。如果它們能夠互相溶解，那么當(dāng)聚氨酯聚合之后，離子液體大概率可以滲透進(jìn)去。
基于此，課題組選擇了比較疏水、同時(shí)柔順性也比較好的聚丙二醇。與此同時(shí)，他們還嘗試了不同的離子液體，以觀察它們能否被溶解。
找到合適的離子液體之后，課題組以此為骨架，引入了功能性的交聯(lián)劑和雙鍵。
然而，在完成合成之后，實(shí)際效果并沒有想象那么好，因?yàn)榻由想p鍵后的離子液體比較粘稠，滲透進(jìn)入聚氨酯的速度很慢。
于是，他們又引入一點(diǎn)促滲劑，元素分析結(jié)果和熒光顯微鏡分析結(jié)果均顯示，離子液體滲進(jìn)了聚氨酯之中，并形成了一個(gè)半圓。
接下來，他們探索了多種圖案化方法，包括蓋章、直接書寫和噴墨打印，并在聚氨酯基底上形成離子電路。
在這一階段，還得確保離子墨水均勻地滲透到聚氨酯中，并能在固化之后保持電路的完整性。
完成離子電路的制備之后，該團(tuán)隊(duì)針對其耐磨性、防水性和電導(dǎo)率加以測試。
為了實(shí)現(xiàn)離子電路的智能化，他們將人工智能模型與離子網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，開發(fā)出一種多信號識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識別溫度、壓力和按壓形狀。
而在實(shí)際應(yīng)用的測試中，他們將離子電路直接附著在皮膚上，通過模擬日常使用條件來進(jìn)行籃球拍打測試。
借此證明：即便在高強(qiáng)度和高濕度的條件下，離子電路依然擁有穩(wěn)定的性能。
（來源：Advanced Functional Materials）
將機(jī)器學(xué)習(xí)用于離子電路信號識別
整個(gè)研究中，如何從離子電路所收集到的復(fù)雜信號中識別并解耦溫度、壓力和形狀變化的影響，是他們面臨的第一個(gè)難題。
為解決這一難題，該團(tuán)隊(duì)將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)用于離子電路的信號識別。
為此，賀泳霖專門和同事組織了一個(gè)人工智能化學(xué)學(xué)習(xí)小組。通過此，他積累了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)基礎(chǔ)，隨后開始嘗試開展模型訓(xùn)練。
模型訓(xùn)練是一個(gè)既耗時(shí)又需要耐心的過程，經(jīng)常需要等待數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天才能完成一次完整的訓(xùn)練。
期間，他們不斷地調(diào)整超參數(shù)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)性能以及重新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。有時(shí)，即使經(jīng)過多次調(diào)整，模型性能仍然無法達(dá)到預(yù)期。這時(shí)，他們不得不回到問題源頭，重新地審視和改進(jìn)模型設(shè)計(jì)方案。
信號的測試和收集，是他們面臨的第二個(gè)難題。在此過程之中，要確保從離子電路中所收集信號的準(zhǔn)確性和可靠性，這就得設(shè)計(jì)精確的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并在不同溫度、不同壓力和不同形變等條件下進(jìn)行測試。
針對所收集到的數(shù)據(jù)，他們花費(fèi)整整三周進(jìn)行收集和標(biāo)記。每天，都是先在實(shí)驗(yàn)室里測試離子電路和記錄數(shù)據(jù)，然后再回到辦公室分析數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。
（來源：Advanced Functional Materials）
一番努力之后，相關(guān)論文最終以《直接離子墨水在彈性體上的書寫和滲透，用于可圖案化、防水和耐磨的離子電路》（Direct Ionic Ink Writing on and Penetrating into Elastomer for Patternable, Waterproof, and Wear-Resistant Ionic Circuits）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials。
安堯是第一作者，吳君石是共同一作，賀泳霖?fù)?dān)任通訊作者 [1]。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Functional Materials）
賀泳霖表示，柔性與拉伸性是離子電路的核心優(yōu)勢。當(dāng)為其增加耐摩擦性和防水特性，則可以提升最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性。
而基于本次成果可以設(shè)計(jì)各種離子電路，因此他希望能夠利用這些不同的圖案，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。
人和其他動物都是使用離子作為信號傳遞的載流子，因此他相信離子作為載流子一定有它的獨(dú)特之處。
在賀泳霖眼中，本次研究只是基于材料和工藝提出了一款離子導(dǎo)體制備新方案，盡管它比之前的方法更簡便、更具備高性能，但其對于材料相容性仍有一定要求。
因此，未來他希望打造出一款標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，以作為離子電路的基礎(chǔ)性技術(shù)和通用性技術(shù)。
對于這款標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)來說，它必須足夠簡單，并能適用于各種離子。目前，他和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)獲得了一些初步新結(jié)果，預(yù)計(jì)不久之后就會公布于世。
參考資料：
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.
運(yùn)營/排版：何晨龍
