理化所在仿生液態金屬機電一體化器件研究方面取得新進展
- 分類：科技創新
- 作者：
- 來源：中科院理化所
- 發布時間：2023-06-09 16:39
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【概要描述】近日，中國科學院理化技術研究所劉靜及饒偉團隊從生物壓電離子通道蛋白功能機制中獲得靈感，設計了一種面向柔性人工智能領域的仿生液態金屬機電一體化器件（LMMD）。
理化所在仿生液態金屬機電一體化器件研究方面取得新進展
【概要描述】近日，中國科學院理化技術研究所劉靜及饒偉團隊從生物壓電離子通道蛋白功能機制中獲得靈感，設計了一種面向柔性人工智能領域的仿生液態金屬機電一體化器件（LMMD）。
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- 來源：中科院理化所
- 發布時間：2023-06-09 16:39
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感知機械刺激并將其轉化為生物電信號以完成信息感知、傳遞和計算，是自然界動物生存和進化的基本生理機制。在此基礎上，演化出各種各樣的用以應對復雜多變環境的智能行為，如信息處理、學習、判斷、反饋等。在哺乳動物體內，機械刺激感知的離子通道蛋白在不同組織器官的機械感覺和轉導中發揮著重要作用。通過離子通道、細胞膜受體和細胞內信號通路，將機械刺激轉化為生物信號，并被細胞識別感知。模擬上述的生物智能行為是面向人工智能領域的功能集成系統的重要發展目標，也是未來柔性機電系統設計的重要方向。
然而，目前的柔性機電智能系統的設計基本上是依賴于分布式功能單元的集成，系統的功能性集成是通過組裝不同單一功能器件來實現的，不同單元之間的連接和協調不匹配問題十分突出。因此，如何在有限的系統空間內高度集成供能、傳感、信號轉化和信號處理等多種功能已經成為了人工智能系統開發所面臨的重大挑戰。
近日，中國科學院理化技術研究所劉靜及饒偉團隊從生物壓電離子通道蛋白功能機制中獲得靈感，設計了一種面向柔性人工智能領域的仿生液態金屬機電一體化器件（LMMD）。
在生物體內，機械刺激將引起壓電離子通道蛋白的開關，從而觸發細胞膜內外產生離子梯度；類似地，基于液態金屬的機電耦合效應，機械刺激將引起液態金屬液柱的雙模態切換，從而觸發電極間產生電荷梯度，形成自供能的輸出狀態切換行為（圖1）。
圖1：LMMD的仿生設計。a. i)壓電蛋白的壓敏行為。ii) LMMDs的仿生的狀態切換行為。b. LMMDs的集成功能及其在柔性人工智能系統中的應用。
LMMD的機電性能遵循生物神經系統的響應機制，符合全或無定律，輸出信號的信噪比可達40 dB（圖2）。
圖2：LMMD的機電特性。a. LMMD的響應過程。i) LMMD的管道式拓撲結構。ii) 激活階段；iii) 恢復階段。b.液態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. 器件串聯的輸出響應。f. 輸出信號的時序控制，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。
基于LMMD的輸出狀態切換行為特性，可以構建出不同的信號運算功能，其中包括信號邏輯運算、三進制線性運算（加、減法運算）（圖3），以及信號模擬運算（信號放大和信號濾波）（圖4）。
圖3：LMMD的邏輯運算功能。a. 構建的邏輯門的結構原理圖。b. 邏輯門的真值表和輸出電位信號。c. 三進制加、減運算器的結構原理圖。d. 加法運算的輸出電位信號。e. 減法運算的輸出電位信號。
圖4：LMMD的模擬運算功能。a. 第一種器件結構示意圖。b. 第二種器件結構示意圖。c. 信號放大。d. 信號濾波。e. 對于第一種器件結構，輸入占空比與輸出占空比的關系。f. 對于第二種器件結構，輸入占空比與輸出占空比的關系。g. 對于第一種器件結構，波長與輸出占空比的關系。h. 對于第二種器件結構，波長與輸出占空比的關系。
另外，進一步證實了LMMD在智能識別、信息編碼、通信和控制等方面的潛在應用價值（圖5和6）。
圖5：LMMD的機電交互功能。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. 在手動輸入模式下，利用輸出電位信號表示位置信息“TIPC”。f. 在自動輸入模式下，利用輸出電位信號表示情感信息“LOVE”。g. 在自動輸入模式下，利用輸出電位信號表示遇險求救信號“SOS”。
圖6：LMMD的機電控制功能。a. i) 蜘蛛對腳的陣列控制。ii) LMMD的陣列控制原理示意圖。b. 四個碳纖維致動器同步控制。c. 四個碳纖維致動器的批量控制。d) 四個碳纖維致動器順序控制。
這項工作將為推動新一代柔性人工智能系統的發展開辟新思路。相應工作以 “Biomimetic Liquid Metal Mechatronic Devices” 為題發表在國際知名期刊Advanced Functional Materials上，理化所特別研究助理王玉書為本文第一作者，理化所研究員劉靜和研究員饒偉為本文的共同通訊作者。
在柔性電子領域，近期團隊還針對液態金屬微納電路制造的普適性難題開展了流體動力學分析，從仿生學角度提出了差動毛細效應誘導的自組裝方法，相應工作以“Bio-Inspired Differential Capillary Migration of Aqueous Liquid Metal Ink for Rapid Fabrication of High-Precision Monolayer and Multilayer Circuits”為題，同樣發表在Advanced Functional Materials國際知名期刊上，天津理工大學機械工程學院張明寬為該文第一作者，中國科學院理化技術研究所研究員饒偉和特別研究助理王玉書為該文的共同通訊作者。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303312
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202215050
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