科学家用AI打造离子电路，将成为电子电路的有力补充，可被用于人机交互领域

科技 2024-11-14 19:26 北京

“跨学科的研究让我们成长了很多。此前我也做过一些使用传统模型解耦信号的工作，但是完成这个工作之后，我感觉人工智能在传感信号分析上十分强大，一定是大势所趋！”中国人民大学贺泳霖老师表示。

图 | 贺泳霖（来源：贺泳霖）

近日，他和团队使用网格阵列以及结合人工智能技术，打造出一种新型离子电路，实现了对于平面的热和压力的精细感知。未来，经过一定的迭代优化，还有望用于人体活动信息的识别。

（来源：Advanced Functional Materials）

高强高湿之下，离子电路“稳如磐石”‍

贺泳霖认为，基于离子的电路将能成为电子电路的有力补充，它会让柔性可拉伸的器件的开发变得更加容易，在人机交互等领域具有重要应用前景。

多年来，他所在团队始终致力于开发基于离子载流子的功能导体材料。其中，开发图案化的离子电路是课题组的研究方向之一，同时这种电路也是制备复杂离子电路的基础。

此前，他们已经开发了一些基于凝胶材料的离子电路，但是这些电路的制备工艺较为复杂。图案化的凝胶本身比较脆弱，并且容易受到环境湿度干扰。

与此同时，尽管该领域已经在柔性电子和可穿戴电子设备上取得了一定进展，但在实际应用中这些设备往往面临着耐磨性和防水性的挑战。

基于此，他们打算开发一种耐磨损的、更稳定的图案化离子电路。当将其用于人机交互场景之时，即使面对高频率的交互、摩擦，也能保持稳定。

对于此前的大部分离子电路，人们都是尝试将电路修饰到弹性体表面，这样一来离子电路就会突出于基底表面，就像往纸上涂番茄酱，番茄酱会突出于纸张表面一样，一擦就能擦掉。

而贺泳霖的做法类似于将墨水写在纸上，墨水会渗透到纸张内部，等它干了之后即便再有摩擦接触，也无法把已经渗透到纸张内部的墨水擦掉。

在这种思路的指导之下，他们设计出一种聚氨酯弹性膜来作为基底（基底好比是纸张）。

然后，又设计一种离子液体作为墨水。通过结构性的设计，能让以上二者具有很好的相容性，并能将离子液体渗透到聚氨酯薄膜之中。

然后，他们将离子液体加以聚合，这相当于用高分子链将其锁在里边，从而确保拥有较好的耐磨损性能。

基于在互穿网络上的研究经验，他们打算利用互穿网络结构来设计离子电路。

这时，就需要一个离子液体，它不仅具备疏水性，并且能与聚氨酯相容。

（来源：Advanced Functional Materials）

在材料设计上，他们主要关心聚氨酯软段能否和离子液体互溶。如果它们能够互相溶解，那么当聚氨酯聚合之后，离子液体大概率可以渗透进去。

基于此，课题组选择了比较疏水、同时柔顺性也比较好的聚丙二醇。与此同时，他们还尝试了不同的离子液体，以观察它们能否被溶解。

找到合适的离子液体之后，课题组以此为骨架，引入了功能性的交联剂和双键。

然而，在完成合成之后，实际效果并没有想象那么好，因为接上双键后的离子液体比较粘稠，渗透进入聚氨酯的速度很慢。

于是，他们又引入一点促渗剂，元素分析结果和荧光显微镜分析结果均显示，离子液体渗进了聚氨酯之中，并形成了一个半圆。

接下来，他们探索了多种图案化方法，包括盖章、直接书写和喷墨打印，并在聚氨酯基底上形成离子电路。

在这一阶段，还得确保离子墨水均匀地渗透到聚氨酯中，并能在固化之后保持电路的完整性。

完成离子电路的制备之后，该团队针对其耐磨性、防水性和电导率加以测试。

为了实现离子电路的智能化，他们将人工智能模型与离子网络相结合，开发出一种多信号识别系统，该系统能够识别温度、压力和按压形状。

而在实际应用的测试中，他们将离子电路直接附着在皮肤上，通过模拟日常使用条件来进行篮球拍打测试。

借此证明：即便在高强度和高湿度的条件下，离子电路依然拥有稳定的性能。

（来源：Advanced Functional Materials）

将机器学习用于离子电路信号识别

整个研究中，如何从离子电路所收集到的复杂信号中识别并解耦温度、压力和形状变化的影响，是他们面临的第一个难题。

为解决这一难题，该团队将机器学习技术用于离子电路的信号识别。

为此，贺泳霖专门和同事组织了一个人工智能化学学习小组。通过此，他积累了神经网络开发基础，随后开始尝试开展模型训练。

模型训练是一个既耗时又需要耐心的过程，经常需要等待数小时甚至数天才能完成一次完整的训练。

期间，他们不断地调整超参数、监控网络性能以及重新设计网络架构。有时，即使经过多次调整，模型性能仍然无法达到预期。这时，他们不得不回到问题源头，重新地审视和改进模型设计方案。

信号的测试和收集，是他们面临的第二个难题。在此过程之中，要确保从离子电路中所收集信号的准确性和可靠性，这就得设计精确的实验设备，并在不同温度、不同压力和不同形变等条件下进行测试。

针对所收集到的数据，他们花费整整三周进行收集和标记。每天，都是先在实验室里测试离子电路和记录数据，然后再回到办公室分析数据和处理数据。

（来源：Advanced Functional Materials）

一番努力之后，相关论文最终以《直接离子墨水在弹性体上的书写和渗透，用于可图案化、防水和耐磨的离子电路》（Direct Ionic Ink Writing on and Penetrating into Elastomer for Patternable, Waterproof, and Wear-Resistant Ionic Circuits）为题发在 Advanced Functional Materials。

安尧是第一作者，吴君石是共同一作，贺泳霖担任通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

贺泳霖表示，柔性与拉伸性——是离子电路的核心优势。当为其增加耐摩擦性和防水特性，则可以提升最终产品的稳定性。

而基于本次成果可以设计各种离子电路，因此他希望能够利用这些不同的图案，实现更加复杂的功能。

人和其他动物都是使用离子作为信号传递的载流子，因此他相信离子作为载流子一定有它的独特之处。

在贺泳霖眼中，本次研究只是基于材料和工艺提出了一款离子导体制备新方案，尽管它比之前的方法更简便、更具备高性能，但其对于材料相容性仍有一定要求。

因此，未来他希望打造出一款标准化技术，以作为离子电路的基础性技术和通用性技术。

对于这款标准化技术来说，它必须足够简单，并能适用于各种离子。目前，他和团队已经获得了一些初步新结果，预计不久之后就会公布于世。

参考资料：

1.An, Y., Wu, J., Xu, B., Zhu, J., Ma, A., Wang, W., ... & He, Y. (2024). Direct Ionic Ink Writing on and Penetrating into Elastomer for Patternable, Waterproof, and Wear‐Resistant Ionic Circuits.Advanced Functional Materials, 2413434.

运营/排版：何晨龙

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