智能傳感設(shè)備已在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但讓智能傳感設(shè)備模擬人類味覺(jué)器官感受物質(zhì)的能力仍面臨挑戰(zhàn)。

為解決這一問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和吳治嶧研究員團(tuán)隊(duì)從人類舌頭感知味覺(jué)的過(guò)程切入，開(kāi)發(fā)出一種基于液滴動(dòng)態(tài)形態(tài)變化和液-固界面接觸起電的智能雙感官液體傳感系統(tǒng)。通過(guò)將液體的摩擦電特征指紋信號(hào)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合，在5種不同應(yīng)用場(chǎng)所中，對(duì)常見(jiàn)液體預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率均高于90%。液體視覺(jué)信息的加入可進(jìn)一步提高智能設(shè)備味覺(jué)傳感系統(tǒng)的感知能力，5種應(yīng)用場(chǎng)景中，液體識(shí)別準(zhǔn)確率提高至96.0%。這種綜合味覺(jué)-視覺(jué)雙重信息的自供電液體傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)，連同可自主產(chǎn)生摩擦電信號(hào)的液滴基味覺(jué)傳感器，為開(kāi)發(fā)高效、低成本的液體傳感，用于液體食品安全管理提供了技術(shù)方向。近日，相關(guān)工作在《自然-食品》發(fā)表。

仿人類味覺(jué)感受器的智能雙感官摩擦電式味覺(jué)傳感系統(tǒng)。受訪者供圖

(資料圖片)

以納米發(fā)電機(jī)為傳感探針

人類的味覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)有高度復(fù)雜的感知機(jī)制，在主要味覺(jué)器官舌頭上，分布著幾千個(gè)味覺(jué)感受器——味蕾。味蕾通過(guò)執(zhí)行“產(chǎn)生并識(shí)別信號(hào)-信號(hào)處理”任務(wù)以完成味覺(jué)感知過(guò)程。受味覺(jué)系統(tǒng)多感官交互作用的啟發(fā)，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種綜合味覺(jué)、視覺(jué)兩種感知模式的液體識(shí)別系統(tǒng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在液滴與聚合物表面接觸過(guò)程中，其形態(tài)發(fā)生鋪展-收縮-再鋪展的動(dòng)態(tài)交替，直至落下。不同液體的電子親和能力和物理化學(xué)性質(zhì)存在差異，使得電極上的電荷轉(zhuǎn)移形成各具不同的摩擦電信號(hào)，因此能夠用摩擦納米發(fā)電機(jī)作為液體傳感的探針。

為更簡(jiǎn)潔直觀地驗(yàn)證這種液體傳感策略的可行性，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人提議采用一種空間排布兩個(gè)電極的開(kāi)放式摩擦納米發(fā)電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)原型。該原型的優(yōu)勢(shì)在于可主動(dòng)產(chǎn)生摩擦電信號(hào)而不需要外部電源。

“我們通過(guò)聚合物薄膜和液滴之間的摩擦電荷轉(zhuǎn)移來(lái)量化設(shè)計(jì)參數(shù)?！闭撐牡谝蛔髡?、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生魏雪蓮解釋說(shuō)，“去離子水（去掉水中各種離子、電解質(zhì)）水滴與不同摩擦層材料接觸時(shí)，由于電子親和力和接觸角的差異，不同摩擦層材料所反饋出的感應(yīng)電流各有不同。而傾斜角度和輸出電流之間的關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，除了液滴在斜面的移動(dòng)速度外，傾斜角度還會(huì)影響液滴與聚合物薄膜之間的接觸面積、液滴與感應(yīng)電極之間的相互作用時(shí)間、液滴在聚合物表面的降落點(diǎn)位置等。這些參數(shù)受到傾斜角度影響后的響應(yīng)趨勢(shì)不同，進(jìn)而共同作用于輸出電流?！?/p>

由此，研究人員對(duì)摩擦層材料、液體種類、液滴下落的傾斜角度、液滴初始流速、液滴體積等一系列可變參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)探究以優(yōu)化摩擦電式傳感器的設(shè)計(jì)。

創(chuàng)建完善“液體指紋庫(kù)”

特征提取是實(shí)現(xiàn)味覺(jué)感知的一個(gè)重要且關(guān)鍵部分。

“液體特征一部分來(lái)自于液滴依次觸發(fā)兩個(gè)獨(dú)立銅電極產(chǎn)生的雙摩擦電信號(hào)，另一部分從圖像傳感器采集的液滴圖像中提取?！眳侵螏F認(rèn)為，這是該工作對(duì)特征提取的創(chuàng)新所在，“液體成分的變化會(huì)引起電流輸出信號(hào)的變化，這種變化如果被更全面地量化，便可作為液體的‘二元特征’，為液體樣品辨識(shí)提供合理化的技術(shù)指導(dǎo)。”

此外，不限于從液滴摩擦電信號(hào)波形中提取的電流幅值、從液滴圖像中提取的下滑形態(tài)等一些淺層特征，許多肉眼無(wú)法分辨的細(xì)微信息更值得深入發(fā)掘。

研究團(tuán)隊(duì)在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)支持下，有效提取出更多液體的細(xì)微特征。團(tuán)隊(duì)形象地將其稱作“液體指紋庫(kù)”，創(chuàng)建并進(jìn)一步豐富了該指紋庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確、全面的液體識(shí)別。

“雙感”協(xié)同增強(qiáng)味覺(jué)傳感能力

舌頭上的味蕾幫助人們感受味道，每個(gè)味蕾中均有能分辨不同味道的味覺(jué)細(xì)胞?，F(xiàn)階段雖然無(wú)法完全復(fù)刻人類味覺(jué)系統(tǒng)的感知機(jī)制，但研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不同液滴滑過(guò)傳感電極時(shí)，可以主動(dòng)產(chǎn)生蘊(yùn)含獨(dú)特特征的摩擦電信號(hào)。

這種特征差異依賴于液體類別帶來(lái)的一系列“液相”區(qū)別，包括液滴的帶電能力、離子濃度、pH值、成分變化、黏度、滑落形態(tài)等。同時(shí)，液體的完整特征也需要考慮視覺(jué)方面的因素。如果味覺(jué)與視覺(jué)兩種感知模式能夠提供互補(bǔ)的液體信息，能使對(duì)液體的分析更加全面準(zhǔn)確。

“對(duì)該工作中所涉及到的5種應(yīng)用，僅使用摩擦電式味覺(jué)傳感器的智能識(shí)別系統(tǒng)，其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率均高于90%?！眳侵螏F補(bǔ)充說(shuō)，“如果有圖像傳感器配合，能進(jìn)一步增強(qiáng)傳感系統(tǒng)的感知能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，5種應(yīng)用場(chǎng)景中的液體識(shí)別準(zhǔn)確率平均提升4.5個(gè)百分點(diǎn)。這或許可以歸納為‘當(dāng)來(lái)自每種液體的特征數(shù)據(jù)組合形成多模態(tài)特征時(shí)，傳感系統(tǒng)的識(shí)別能力可得到顯著提高’?！保▉?lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 張雙虎）

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s43016-023-00817-7

智能傳感設(shè)備已在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但讓智能傳感設(shè)備模擬人類味覺(jué)器官感受物質(zhì)的能力仍面臨挑戰(zhàn)。

為解決這一問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和吳治嶧研究員團(tuán)隊(duì)從人類舌頭感知味覺(jué)的過(guò)程切入，開(kāi)發(fā)出一種基于液滴動(dòng)態(tài)形態(tài)變化和液-固界面接觸起電的智能雙感官液體傳感系統(tǒng)。通過(guò)將液體的摩擦電特征指紋信號(hào)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合，在5種不同應(yīng)用場(chǎng)所中，對(duì)常見(jiàn)液體預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率均高于90%。液體視覺(jué)信息的加入可進(jìn)一步提高智能設(shè)備味覺(jué)傳感系統(tǒng)的感知能力，5種應(yīng)用場(chǎng)景中，液體識(shí)別準(zhǔn)確率提高至96.0%。這種綜合味覺(jué)-視覺(jué)雙重信息的自供電液體傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)，連同可自主產(chǎn)生摩擦電信號(hào)的液滴基味覺(jué)傳感器，為開(kāi)發(fā)高效、低成本的液體傳感，用于液體食品安全管理提供了技術(shù)方向。近日，相關(guān)工作在《自然-食品》發(fā)表。

仿人類味覺(jué)感受器的智能雙感官摩擦電式味覺(jué)傳感系統(tǒng)。受訪者供圖

以納米發(fā)電機(jī)為傳感探針

人類的味覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)有高度復(fù)雜的感知機(jī)制，在主要味覺(jué)器官舌頭上，分布著幾千個(gè)味覺(jué)感受器——味蕾。味蕾通過(guò)執(zhí)行“產(chǎn)生并識(shí)別信號(hào)-信號(hào)處理”任務(wù)以完成味覺(jué)感知過(guò)程。受味覺(jué)系統(tǒng)多感官交互作用的啟發(fā)，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種綜合味覺(jué)、視覺(jué)兩種感知模式的液體識(shí)別系統(tǒng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在液滴與聚合物表面接觸過(guò)程中，其形態(tài)發(fā)生鋪展-收縮-再鋪展的動(dòng)態(tài)交替，直至落下。不同液體的電子親和能力和物理化學(xué)性質(zhì)存在差異，使得電極上的電荷轉(zhuǎn)移形成各具不同的摩擦電信號(hào)，因此能夠用摩擦納米發(fā)電機(jī)作為液體傳感的探針。

為更簡(jiǎn)潔直觀地驗(yàn)證這種液體傳感策略的可行性，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人提議采用一種空間排布兩個(gè)電極的開(kāi)放式摩擦納米發(fā)電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)原型。該原型的優(yōu)勢(shì)在于可主動(dòng)產(chǎn)生摩擦電信號(hào)而不需要外部電源。

“我們通過(guò)聚合物薄膜和液滴之間的摩擦電荷轉(zhuǎn)移來(lái)量化設(shè)計(jì)參數(shù)。”論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生魏雪蓮解釋說(shuō)，“去離子水（去掉水中各種離子、電解質(zhì)）水滴與不同摩擦層材料接觸時(shí)，由于電子親和力和接觸角的差異，不同摩擦層材料所反饋出的感應(yīng)電流各有不同。而傾斜角度和輸出電流之間的關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，除了液滴在斜面的移動(dòng)速度外，傾斜角度還會(huì)影響液滴與聚合物薄膜之間的接觸面積、液滴與感應(yīng)電極之間的相互作用時(shí)間、液滴在聚合物表面的降落點(diǎn)位置等。這些參數(shù)受到傾斜角度影響后的響應(yīng)趨勢(shì)不同，進(jìn)而共同作用于輸出電流。”

由此，研究人員對(duì)摩擦層材料、液體種類、液滴下落的傾斜角度、液滴初始流速、液滴體積等一系列可變參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)探究以優(yōu)化摩擦電式傳感器的設(shè)計(jì)。

創(chuàng)建完善“液體指紋庫(kù)”

特征提取是實(shí)現(xiàn)味覺(jué)感知的一個(gè)重要且關(guān)鍵部分。

“液體特征一部分來(lái)自于液滴依次觸發(fā)兩個(gè)獨(dú)立銅電極產(chǎn)生的雙摩擦電信號(hào)，另一部分從圖像傳感器采集的液滴圖像中提取。”吳治嶧認(rèn)為，這是該工作對(duì)特征提取的創(chuàng)新所在，“液體成分的變化會(huì)引起電流輸出信號(hào)的變化，這種變化如果被更全面地量化，便可作為液體的‘二元特征’，為液體樣品辨識(shí)提供合理化的技術(shù)指導(dǎo)?！?/p>

此外，不限于從液滴摩擦電信號(hào)波形中提取的電流幅值、從液滴圖像中提取的下滑形態(tài)等一些淺層特征，許多肉眼無(wú)法分辨的細(xì)微信息更值得深入發(fā)掘。

研究團(tuán)隊(duì)在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)支持下，有效提取出更多液體的細(xì)微特征。團(tuán)隊(duì)形象地將其稱作“液體指紋庫(kù)”，創(chuàng)建并進(jìn)一步豐富了該指紋庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確、全面的液體識(shí)別。

“雙感”協(xié)同增強(qiáng)味覺(jué)傳感能力

舌頭上的味蕾幫助人們感受味道，每個(gè)味蕾中均有能分辨不同味道的味覺(jué)細(xì)胞?，F(xiàn)階段雖然無(wú)法完全復(fù)刻人類味覺(jué)系統(tǒng)的感知機(jī)制，但研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不同液滴滑過(guò)傳感電極時(shí)，可以主動(dòng)產(chǎn)生蘊(yùn)含獨(dú)特特征的摩擦電信號(hào)。

這種特征差異依賴于液體類別帶來(lái)的一系列“液相”區(qū)別，包括液滴的帶電能力、離子濃度、pH值、成分變化、黏度、滑落形態(tài)等。同時(shí)，液體的完整特征也需要考慮視覺(jué)方面的因素。如果味覺(jué)與視覺(jué)兩種感知模式能夠提供互補(bǔ)的液體信息，能使對(duì)液體的分析更加全面準(zhǔn)確。

“對(duì)該工作中所涉及到的5種應(yīng)用，僅使用摩擦電式味覺(jué)傳感器的智能識(shí)別系統(tǒng)，其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率均高于90%。”吳治嶧補(bǔ)充說(shuō)，“如果有圖像傳感器配合，能進(jìn)一步增強(qiáng)傳感系統(tǒng)的感知能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，5種應(yīng)用場(chǎng)景中的液體識(shí)別準(zhǔn)確率平均提升4.5個(gè)百分點(diǎn)。這或許可以歸納為‘當(dāng)來(lái)自每種液體的特征數(shù)據(jù)組合形成多模態(tài)特征時(shí)，傳感系統(tǒng)的識(shí)別能力可得到顯著提高’?！保▉?lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 張雙虎）

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s43016-023-00817-7

關(guān)鍵詞：