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清華大學(xué)任天令、北京科技大學(xué)陶璐琪：石墨烯又一突破性新應(yīng)用 - 作為柔性超聲源進(jìn)行信息加密
2022-07-18  來源：高分子科技

  隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，信息安全變得越來越重要。數(shù)據(jù)泄露將對(duì)軍事、經(jīng)濟(jì)、生活產(chǎn)生巨大影響。聲音信號(hào)作為最原始的信息通信手段之一，具有成本低、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但低頻聲音信號(hào)容易被人耳捕捉和破解，不適合現(xiàn)代信息通信。超聲的波長(zhǎng)比普通聲音短，指向性強(qiáng)。最重要的是，超聲波的存在并不能被人的耳朵直接檢測(cè)到，這比其他防偽技術(shù)更隱蔽。在現(xiàn)代通信中，超聲波不會(huì)受到電磁屏蔽環(huán)境的干擾。因此，利用超聲波作為存儲(chǔ)信息的介質(zhì)將在加密領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。


  目前常用的超聲源有動(dòng)圈式揚(yáng)聲器和壓電陶瓷。然而，這些設(shè)備的大尺寸、硬材料限制了其在可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用。本文，清華大學(xué)任天令教授和北京科技大學(xué)陶璐琪副教授團(tuán)隊(duì)提出了一種用于機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)信息加密的柔性石墨烯基織物超聲源graphene-based fabric ultrasound source (GUS)。首先對(duì)低頻聲音信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移，調(diào)制成攜帶信息的超聲波信號(hào)。隨后，超聲波作為電信號(hào)輸入到GUS并進(jìn)行聲音發(fā)射，對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行加密傳輸。最后，利用麥克風(fēng)采集超聲信號(hào)，解調(diào)到低頻以實(shí)現(xiàn)信息解密。值得注意的是，在超聲信號(hào)特征提取過程中，采用了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來提高超聲語(yǔ)音識(shí)別的準(zhǔn)確率。這項(xiàng)工作不僅解決了超聲源在可穿戴領(lǐng)域的障礙，也進(jìn)一步拓展了超聲在信息加密領(lǐng)域的應(yīng)用。該工作以 “A flexible graphene-based fabric ultrasound source for machine learning enhanced information encryption”為題發(fā)表于《IEEE Electron Device Letters》。論文第一作者為重慶大學(xué)碩士生孫豪。 


圖1. GUS的制備及工作模式。a. GUS工作機(jī)制模型。b. NOMEX基底上LIG的制備原理。c. GUS的拉曼光譜。d. GUS的SEM。e. 石墨烯基織物柔性展示。f. GUS的正反實(shí)物圖。h. GUS工作機(jī)構(gòu)流程圖。


圖2. GUS的聲學(xué)測(cè)試。a. 不同激光功率下SPL輸出隨頻率的變化關(guān)系。b. SP輸出與輸入功率在10 kHz, 20 kHz和40 kHz下的變化關(guān)系。c. SP輸出與測(cè)試距離的變化關(guān)系。d. GUS的SPL輸出穩(wěn)定性。


圖3. GUS用于信息加密。a、d、g. 原始的聲音信號(hào)。b、e、h. 調(diào)制為高頻的超聲信號(hào)。d、f、i. 被解調(diào)到低頻的聲音信號(hào)。 


圖4. 機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)的信息加密與識(shí)別。a. 超聲頻段下 “Hold your fire”, “Cover me”, “Follow me”的頻譜圖。b. 七種語(yǔ)音識(shí)別分類的混淆矩陣。c. 各種訓(xùn)練迭代下語(yǔ)音識(shí)別的總體準(zhǔn)確率。


  在這項(xiàng)工作中，LIG-NOMEX作為柔性超聲源，被用于信息加密。制備GUS僅需激光誘導(dǎo)，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。低頻的聲音信號(hào)被調(diào)制成攜帶信息的高頻超聲波。由于GUS具有優(yōu)異的高頻聲壓級(jí)輸出特性，可以對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和再現(xiàn)。在機(jī)器學(xué)習(xí)的輔助下，超聲語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確率為98.2%。雖然識(shí)別精確度受測(cè)試距離的影響，在需要傳輸距離更遠(yuǎn)的場(chǎng)景，他們可以對(duì)GUS施加更大的電功率進(jìn)而產(chǎn)生更大的SPL輸出。此外，GUS區(qū)域非常小，就像一枚靈活的硬幣。通過激光加工可以穩(wěn)定地制備GUS，形成超聲陣列或更大面積的GUS。因此，這種基于柔性石墨烯基織物的超聲加密方法可以作為一種有效的防止信息泄露的手段。


  原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9817133

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（責(zé)任編輯：xu）
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