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)備模擬人類味覺器官感受物質(zhì)的能力仍面臨挑戰(zhàn)。

為解決這一問題，中國科學(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隊從人類舌頭感知味覺的過程切入，開發(fā)出一種基于液滴動態(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)。通過將液體的摩擦電特征指紋信號和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合，在5種不同應(yīng)用場所中，對常見液體預(yù)測準(zhǔn)確率均高于90%。液體視覺信息的加入可進(jìn)一步提高智能設(shè)備味覺傳感系統(tǒng)的感知能力，5種應(yīng)用場景中，液體識別準(zhǔn)確率提高至96.0%。這種綜合味覺-視覺雙重信息的自供電液體傳感系統(tǒng)設(shè)計，連同可自主產(chǎn)生摩擦電信號的液滴基味覺傳感器，為開發(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。

仿人類味覺感受器的智能雙感官摩擦電式味覺傳感系統(tǒng)。受訪者供圖

(資料圖片)

以納米發(fā)電機為傳感探針

人類的味覺識別系統(tǒng)有高度復(fù)雜的感知機制，在主要味覺器官舌頭上，分布著幾千個味覺感受器——味蕾。味蕾通過執(zhí)行“產(chǎn)生并識別信號-信號處理”任務(wù)以完成味覺感知過程。受味覺系統(tǒng)多感官交互作用的啟發(fā)，該研究團隊設(shè)計出一種綜合味覺、視覺兩種感知模式的液體識別系統(tǒng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在液滴與聚合物表面接觸過程中，其形態(tài)發(fā)生鋪展-收縮-再鋪展的動態(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，因此能夠用摩擦納米發(fā)電機作為液體傳感的探針。

為更簡潔直觀地驗證這種液體傳感策略的可行性，團隊負(fù)責(zé)人提議采用一種空間排布兩個電極的開放式摩擦納米發(fā)電機作為實驗原型。該原型的優(yōu)勢在于可主動產(chǎn)生摩擦電信號而不需要外部電源。

“我們通過聚合物薄膜和液滴之間的摩擦電荷轉(zhuǎn)移來量化設(shè)計參數(shù)。”論文第一作者、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生魏雪蓮解釋說，“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，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)系相對復(fù)雜，除了液滴在斜面的移動速度外，傾斜角度還會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間、液滴在聚合物表面的降落點位置等。這些參數(shù)受到傾斜角度影響后的響應(yīng)趨勢不同，進(jìn)而共同作用于輸出電流。”

由此，研究人員對摩擦層材料、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。

創(chuàng)建完善“液體指紋庫”

特征提取是實現(xiàn)味覺感知的一個重要且關(guān)鍵部分。

“液體特征一部分來自于液滴依次觸發(fā)兩個獨立銅電極產(chǎn)生的雙摩擦電信號，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，這是該工作對特征提取的創(chuàng)新所在，“液體成分的變化會引起電流輸出信號的變化，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，許多肉眼無法分辨的細(xì)微信息更值得深入發(fā)掘。

研究團隊在卷積神經(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。團隊形象地將其稱作“液體指紋庫”，創(chuàng)建并進(jìn)一步豐富了該指紋庫，從而實現(xiàn)更加準(zhǔn)確、全面的液體識別。

“雙感”協(xié)同增強味覺傳感能力

舌頭上的味蕾幫助人們感受味道，每個味蕾中均有能分辨不同味道的味覺細(xì)胞。現(xiàn)階段雖然無法完全復(fù)刻人類味覺系統(tǒng)的感知機制，但研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不同液滴滑過傳感電極時，可以主動產(chǎn)生蘊含獨特特征的摩擦電信號。

這種特征差異依賴于液體類別帶來的一系列“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，液體的完整特征也需要考慮視覺方面的因素。如果味覺與視覺兩種感知模式能夠提供互補的液體信息，能使對液體的分析更加全面準(zhǔn)確。

“對該工作中所涉及到的5種應(yīng)用，僅使用摩擦電式味覺傳感器的智能識別系統(tǒng)，其預(yù)測準(zhǔn)確率均高于90%。”吳治嶧補充說，“如果有圖像傳感器配合，能進(jìn)一步增強傳感系統(tǒng)的感知能力。實驗結(jié)果表明，5種應(yīng)用場景中的液體識別準(zhǔn)確率平均提升4.5個百分點。這或許可以歸納為‘當(dāng)來自每種液體的特征數(shù)據(jù)組合形成多模態(tài)特征時，傳感系統(tǒng)的識別能力可得到顯著提高’。”（來源：中國科學(xué)報 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)備模擬人類味覺器官感受物質(zhì)的能力仍面臨挑戰(zhàn)。

為解決這一問題，中國科學(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隊從人類舌頭感知味覺的過程切入，開發(fā)出一種基于液滴動態(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)。通過將液體的摩擦電特征指紋信號和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合，在5種不同應(yīng)用場所中，對常見液體預(yù)測準(zhǔn)確率均高于90%。液體視覺信息的加入可進(jìn)一步提高智能設(shè)備味覺傳感系統(tǒng)的感知能力，5種應(yīng)用場景中，液體識別準(zhǔn)確率提高至96.0%。這種綜合味覺-視覺雙重信息的自供電液體傳感系統(tǒng)設(shè)計，連同可自主產(chǎn)生摩擦電信號的液滴基味覺傳感器，為開發(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。

仿人類味覺感受器的智能雙感官摩擦電式味覺傳感系統(tǒng)。受訪者供圖

以納米發(fā)電機為傳感探針

人類的味覺識別系統(tǒng)有高度復(fù)雜的感知機制，在主要味覺器官舌頭上，分布著幾千個味覺感受器——味蕾。味蕾通過執(zhí)行“產(chǎn)生并識別信號-信號處理”任務(wù)以完成味覺感知過程。受味覺系統(tǒng)多感官交互作用的啟發(fā)，該研究團隊設(shè)計出一種綜合味覺、視覺兩種感知模式的液體識別系統(tǒng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在液滴與聚合物表面接觸過程中，其形態(tài)發(fā)生鋪展-收縮-再鋪展的動態(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，因此能夠用摩擦納米發(fā)電機作為液體傳感的探針。

為更簡潔直觀地驗證這種液體傳感策略的可行性，團隊負(fù)責(zé)人提議采用一種空間排布兩個電極的開放式摩擦納米發(fā)電機作為實驗原型。該原型的優(yōu)勢在于可主動產(chǎn)生摩擦電信號而不需要外部電源。

“我們通過聚合物薄膜和液滴之間的摩擦電荷轉(zhuǎn)移來量化設(shè)計參數(shù)?！闭撐牡谝蛔髡?、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生魏雪蓮解釋說，“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，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)系相對復(fù)雜，除了液滴在斜面的移動速度外，傾斜角度還會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間、液滴在聚合物表面的降落點位置等。這些參數(shù)受到傾斜角度影響后的響應(yīng)趨勢不同，進(jìn)而共同作用于輸出電流?！?/p>

由此，研究人員對摩擦層材料、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。

創(chuàng)建完善“液體指紋庫”

特征提取是實現(xiàn)味覺感知的一個重要且關(guān)鍵部分。

“液體特征一部分來自于液滴依次觸發(fā)兩個獨立銅電極產(chǎn)生的雙摩擦電信號，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，這是該工作對特征提取的創(chuàng)新所在，“液體成分的變化會引起電流輸出信號的變化，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，許多肉眼無法分辨的細(xì)微信息更值得深入發(fā)掘。

研究團隊在卷積神經(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。團隊形象地將其稱作“液體指紋庫”，創(chuàng)建并進(jìn)一步豐富了該指紋庫，從而實現(xiàn)更加準(zhǔn)確、全面的液體識別。

“雙感”協(xié)同增強味覺傳感能力

舌頭上的味蕾幫助人們感受味道，每個味蕾中均有能分辨不同味道的味覺細(xì)胞?，F(xiàn)階段雖然無法完全復(fù)刻人類味覺系統(tǒng)的感知機制，但研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不同液滴滑過傳感電極時，可以主動產(chǎn)生蘊含獨特特征的摩擦電信號。

這種特征差異依賴于液體類別帶來的一系列“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，液體的完整特征也需要考慮視覺方面的因素。如果味覺與視覺兩種感知模式能夠提供互補的液體信息，能使對液體的分析更加全面準(zhǔn)確。

“對該工作中所涉及到的5種應(yīng)用，僅使用摩擦電式味覺傳感器的智能識別系統(tǒng)，其預(yù)測準(zhǔn)確率均高于90%?！眳侵螏F補充說，“如果有圖像傳感器配合，能進(jìn)一步增強傳感系統(tǒng)的感知能力。實驗結(jié)果表明，5種應(yīng)用場景中的液體識別準(zhǔn)確率平均提升4.5個百分點。這或許可以歸納為‘當(dāng)來自每種液體的特征數(shù)據(jù)組合形成多模態(tài)特征時，傳感系統(tǒng)的識別能力可得到顯著提高’?！保▉碓矗褐袊茖W(xué)報 張雙虎）

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

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