感知機(jī)械刺激并將其轉(zhuǎn)化為生物電信號以完成信息感知、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)信號通路，將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為生物信號，并被細(xì)胞識別感知。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、信號轉(zhuǎn)化和信號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)建出不同的信號運(yùn)算功能，其中包括信號邏輯運(yùn)算、三進(jìn)制線性運(yùn)算（加、減法運(yùn)算）（圖3），以及信號模擬運(yùn)算（信號放大和信號濾波）（圖4）。另外，研究進(jìn)一步證實(shí)了LMMD在智能識別、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. 輸出信號的時(shí)序控制，包括信號超前、信號同步、信號滯后。g. LMMD的各組成部分的柔性評估。
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。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。e. 減法運(yùn)算的輸出電位信號。
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. 信號放大。d. 信號濾波。e. 對于第一種器件結(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. 對于第一種器件結(jié)構(gòu)，波長與輸出占空比的關(guān)系。h. 對于第二種器件結(jié)構(gòu)，波長與輸出占空比的關(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。c. 輸出信號特征的對比五星圖。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，利用輸出電位信號表示遇險(xiǎn)求救信號“SOS”。
圖6 LMMD的機(jī)電控制功能。a. i) 蜘蛛對腳的陣列控制。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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