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太原理工張虎林教授 Small：熱電水凝膠用于機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的自供電可穿戴材料識(shí)別
2024-11-04  來(lái)源：高分子科技

  觸覺(jué)是人類探索世界的重要方式之一，當(dāng)人類觸摸不同的材料時(shí)，往往可以通過(guò)感知溫度來(lái)大致推斷材料的類型。隨著信息時(shí)代的到來(lái)，人們的生活水平隨著先進(jìn)電子技術(shù)的發(fā)展而不斷提高。微型納米制造技術(shù)的不斷精進(jìn)，也使得人們對(duì)電子皮膚等觸覺(jué)傳感器的期望持續(xù)攀升。然而，一些傳統(tǒng)的觸覺(jué)傳感器存在依賴外部電源支持而缺乏便攜性、不可或缺的接觸變形或界面位移而缺乏足夠的適用性以及制造復(fù)雜等問(wèn)題，這些缺陷使得它們難以滿足智能信息時(shí)代對(duì)觸覺(jué)傳感器的高標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)而在一定程度上限制了它們?cè)谌斯び|覺(jué)感知領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。


圖1. 基于 TG-DNH 的自供電材料識(shí)別示意圖


  近期，太原理工大學(xué)集成電路學(xué)院張虎林教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于熱電雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的自供電材料識(shí)別技術(shù)，通過(guò)與不同材料接觸時(shí)產(chǎn)生的界面熱傳遞相關(guān)的電壓信號(hào)，在沒(méi)有外部電源連接的情況下主動(dòng)推斷材料的類型（圖1）。文中所提到的熱電雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（TG-DNH）以丙烯酰胺（AAm）為基質(zhì)、明膠為增強(qiáng)劑、[Fe(CN)6]3-/4-為氧化還原對(duì)。此外，TG-DNH中的硅酸鎂鋰（LMS）擴(kuò)大了其內(nèi)部孔徑，胍離子（Gdm+）擴(kuò)大了氧化還原反應(yīng)的熵差從而顯著提高了其熱功率（4.01 mV K-1），Li+和Br-通過(guò)調(diào)節(jié)水凝膠中水的飽和蒸汽壓，減緩了水的流失速度，延長(zhǎng)了水凝膠的有效工作時(shí)間。在出色的機(jī)械性能（圖2）和熱電性能（圖3）的支持下，他們開(kāi)發(fā)了一種基于TG-DNH的溫度觸發(fā)熱電響應(yīng)的自供電材料識(shí)別指環(huán)（MIR），并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，通過(guò)分析與不同材料接觸時(shí)產(chǎn)生的界面熱傳遞相關(guān)的電壓信號(hào)，完成了對(duì)七種材料的識(shí)別，準(zhǔn)確率高達(dá)97.2%（圖4）。這項(xiàng)研究可以進(jìn)一步與人機(jī)交互相結(jié)合，并在未來(lái)擴(kuò)展到與觸覺(jué)相關(guān)的人工智能領(lǐng)域。該工作以“Self-Powered Machine-Learning-Assisted Material Identification Enabled by a Thermogalvanic Dual-Network Hydrogel with a High Thermopower”為題發(fā)表在《Small》（IF=13.3）。太原理工大學(xué)碩士生李運(yùn)升為第一作者，通訊作者為太原理工大學(xué)張虎林教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、山西省科技合作與交流專項(xiàng)和山西省研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目的支持。


圖2. TG-DNH的機(jī)械性能研究



圖3. TG-DNH的熱電性能。


圖4. 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的材料識(shí)別及MIR的演示。


  該成果是張虎林教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于凝膠熱電器件研究的最新進(jìn)展之一，這項(xiàng)工作構(gòu)想了機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的熱電凝膠在信息安全和人機(jī)交互中的廣闊前景。自2021年以來(lái)，張虎林教授團(tuán)隊(duì)制備了一系列基于不同聚合物網(wǎng)絡(luò)和氧化還原對(duì)的熱電凝膠可穿戴器件，并致力于開(kāi)拓凝膠器件在人體健康監(jiān)測(cè)和信息交互領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景，取得了一系列重要研究成果，具體詳見(jiàn)：https://oec.tyut.edu.cn/info/1983/9267.htm


  作者簡(jiǎn)介：張虎林，太原理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，山西省青年拔尖人才、三晉英才拔尖骨干人才，山西省青年科技工作者協(xié)會(huì)理事、中國(guó)青年科技工作者協(xié)會(huì)理事、四川省杰出青年基金獲得者。2012-2014年赴美國(guó)佐治亞理工學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)，2014年博士畢業(yè)于重慶大學(xué)并被電子科技大學(xué)直聘為副教授。2017年在香港理工大學(xué)訪學(xué)1年，并于年底受聘為太原理工大學(xué)教授。研究方向?yàn)樽怨╇娍纱┐麟娮，已?/span>Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等國(guó)際一流學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表SCI論文120余篇，其中第一/通訊作者73篇，論文被引用8500余次，h因子為44，所做的工作曾被CNN、BBC、NanoWerk、科學(xué)網(wǎng)、科技日?qǐng)?bào)、中國(guó)科學(xué)報(bào)、太原日?qǐng)?bào)等報(bào)道，研究成果獲評(píng)2023年MINE優(yōu)秀青年科學(xué)家、JMCC Emerging Investigators-2022、2020年山西省科技功勛、2019年山西省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（排名第1）。主持國(guó)家自然科學(xué)基金（青年項(xiàng)目、面上項(xiàng)目）、山西省自然科學(xué)基金、山西省科技合作與交流專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題等。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202405911

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（責(zé)任編輯：xu）
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