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研究背景

類皮膚傳感器（Skin-like sensors，SLS）是一種新型電子設(shè)備，可以通過模擬真實(shí)皮膚來(lái)感知外部壓力、溫度和濕度。SLS主要由柔性有機(jī)材料制成，且通常包含特殊的幾何設(shè)計(jì)，其具體制造策略包括在柔性基板上負(fù)載導(dǎo)電填料、應(yīng)用導(dǎo)電聚合物水凝膠和封裝液態(tài)金屬。隨著對(duì)能量采集和傳感精度的要求不斷提高，新型微納功能器件逐漸融入了SLS的設(shè)計(jì)，其中納米發(fā)電機(jī)（Nanogenerator，NG）已經(jīng)成為SLS的重要分支。NG不僅可以從環(huán)境中收集機(jī)械能、熱能和其他形式能量，并將其轉(zhuǎn)換為電能為小型電子設(shè)備供電；同時(shí)NG自身亦是一種新型的主動(dòng)式傳感器，具有自供電、高電壓、低成本等優(yōu)點(diǎn)。在人工智能（Artificial intelligence，AI）的加持下，基于柔性NG的SLS有望實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的生物相容性、舒適的穿戴體驗(yàn)、自供能和高精度傳感。

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文章概述

近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟、羅聃團(tuán)隊(duì)聯(lián)合江漢大學(xué)吳鈺祥系統(tǒng)綜述了基于柔性納米發(fā)電機(jī)SLS的工作原理、演化過程和通用制備策略，其中著重介紹了AI增強(qiáng)SLS近年來(lái)的重要研究進(jìn)展，并根據(jù)工作原理和應(yīng)用方向?qū)ι鲜龉ぷ鬟M(jìn)行了系統(tǒng)的分析和全面的比較。在展望部分，作者還列舉了當(dāng)前研究者所關(guān)注的如應(yīng)力適配、可拉伸性-導(dǎo)電性、算法優(yōu)化、功能集成等熱點(diǎn)問題，并針對(duì)性地提出了潛在解決方案。作者希望未來(lái)通過AI與柔性NG的深度融合，在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多更有價(jià)值的應(yīng)用。

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圖文導(dǎo)讀

納米發(fā)電機(jī)的原理

納米發(fā)電機(jī)目前已成為能量采集和傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。作為一種自供電器件，NG可以替代傳統(tǒng)的發(fā)電或儲(chǔ)能裝備，特別是在電源不易獲�。ㄈ缫巴猸h(huán)境中的傳感器）和電池難以更換（如心臟起搏器）的場(chǎng)景中具有巨大的優(yōu)勢(shì)。另一方面，NG還可以作為具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的自供電傳感器，監(jiān)測(cè)人體的生理信號(hào)、運(yùn)動(dòng)信息和所處環(huán)境參數(shù)。NG具有廣泛的材料選擇性，柔性高分子材料、液態(tài)離子導(dǎo)體，甚至液態(tài)金屬，都可以作為NG的摩擦層材料。此外NG亦具有多種工作模式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)論在功能上還是結(jié)構(gòu)上都能滿足SLS的需求。因此，當(dāng)NG的概念首次被提出時(shí)，科學(xué)界已經(jīng)意識(shí)到基于NG的自供電傳感器具有巨大的研究潛力和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

圖1. NG的工作原理。

（a） 摩擦納米發(fā)電機(jī)的四種工作模式。（b） 壓電納米發(fā)電機(jī)的工作原理。（c） NG的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。（d） NG能量的主要來(lái)源形式。

人工智能增強(qiáng)的基于柔性納米發(fā)電機(jī)類皮膚傳感器的原理

通過對(duì)人類觸覺信息轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的回顧有助于理解人工智能增強(qiáng)的基于柔性納米發(fā)電機(jī)類皮膚傳感器的基本原理。觸覺信息轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑分為以下步驟：皮膚的觸覺感受器感知外部刺激；通過神經(jīng)系統(tǒng)將信息傳輸?shù)酱竽X；最終通過分析判斷接觸對(duì)象的物理信息（如材質(zhì)、粗糙度等）。相似的是，人工智能增強(qiáng)的基于柔性納米發(fā)電機(jī)類皮膚傳感器也由兩部分組成：負(fù)責(zé)采集傳感器信號(hào)的硬件端，和處理采集信息并做出綜合判斷的軟件端。SLS通常依賴基于各種原理的傳感器（如摩擦納米發(fā)電機(jī)和壓電納米發(fā)電機(jī)，以及傳統(tǒng)的光學(xué)傳感器、壓阻傳感器、電容傳感器等）實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集。而AI則類似人類的大腦，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和判斷。SLS可實(shí)時(shí)采集大量的數(shù)據(jù)但缺乏有效的處理和分析手段，而AI恰好可以利用大樣本數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)模型的精準(zhǔn)構(gòu)建，兩者相得益彰。為了更直觀地展示AI、NG和SLS之間的聯(lián)系和研究現(xiàn)狀，作者繪制了基于引文信息和關(guān)鍵詞的共現(xiàn)圖。氣泡的大小表示該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率，不同顏色則反映不同的簇。根據(jù)這種方法，讀者可以直觀地了解當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和各種技術(shù)間的結(jié)合點(diǎn)。

圖2. 類比人類觸覺傳導(dǎo)路徑有助于理解人工智能增強(qiáng)的基于柔性納米發(fā)電機(jī)類皮膚傳感器的原理。

圖3. AI、NG和電子皮膚的引文和關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖。

主要應(yīng)用展示

生理信號(hào)是有助于早期疾病預(yù)防、治療和預(yù)后康復(fù)的寶貴數(shù)據(jù)來(lái)源�；�于柔性納米發(fā)電機(jī)類皮膚傳感器具有機(jī)械信號(hào)檢測(cè)和能量采集功能，可以監(jiān)測(cè)呼吸、心率和脈搏等生理信號(hào)，非常適合于疾病早期和恢復(fù)階段的持續(xù)監(jiān)測(cè)。

圖4. SLS在生理信號(hào)采集中的應(yīng)用。

論文信息：

Artificial intelligence-enhanced skin like sensors based on flexible nanogenerators.

Yiqian Wang#, Puchuan Tan#, Yuxiang Wu*, Dan Luo*, Zhou Li*

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DOI: 10.1002/VIW.20220026