科学家用AI打造离子电路，将成为电子电路的有力补充，可被用于人机交互领域
发布时间：2024-11-25近日，中国人民大学贺泳霖老师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。
（来源：Advanced Functional Materials）
01 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。
（来源：Advanced Functional Materials）
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。
（来源：Advanced Functional Materials）
02 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。
（来源：Advanced Functional Materials）
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]。
图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
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。
来源：DeepTech深科技
