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[材料资讯] 刘静及饶伟团队在仿生液态金属机电一体化器件研究方面取得新进展

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发表于 2023-5-25 08:47:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
感知机械刺激并将其转化为生物电信号以完成信息感知、传递和计算,是自然界动物生存和进化的基本生理机制。在此基础上,演化出各种各样的用以应对复杂多变环境的智能行为,如信息处理、学习、判断、反馈等。在哺乳动物体内,机械刺激感知的离子通道蛋白在不同组织器官的机械感觉和转导中发挥着重要作用。通过离子通道、细胞膜受体和细胞内信号通路,将机械刺激转化为生物信号,并被细胞识别感知。模拟上述的生物智能行为是面向人工智能领域的功能集成系统的重要发展目标,也是未来柔性机电系统设计的重要方向。然而,目前的柔性机电智能系统的设计基本上是依赖于分布式功能单元的集成,系统的功能性集成是通过组装不同单一功能器件来实现的,不同单元之间的连接和协调不匹配问题十分突出。因此,如何在有限的系统空间内高度集成供能、传感、信号转化和信号处理等多种功能已经成为了人工智能系统开发所面临的重大挑战。

LMMD

LMMD
图1:LMMD的仿生设计。a. i)压电蛋白的压敏行为。ii) LMMDs的仿生的状态切换行为。b. LMMDs的集成功能及其在柔性人工智能系统中的应用。
  近日,中国科学院理化技术研究所刘静及饶伟团队从生物压电离子通道蛋白功能机制中获得灵感,设计了一种面向柔性人工智能领域的仿生液态金属机电一体化器件(LMMD)。在生物体内,机械刺激将引起压电离子通道蛋白的开关,从而触发细胞膜内外产生离子梯度;类似地,基于液态金属的机电耦合效应,机械刺激将引起液态金属液柱的双模态切换,从而触发电极间产生电荷梯度,形成自供能的输出状态切换行为(图1)。LMMD的机电性能遵循生物神经系统的响应机制,符合全或无定律,输出信号的信噪比可达40 dB(图2)。基于LMMD的输出状态切换行为特性,可以构建出不同的信号运算功能,其中包括信号逻辑运算、三进制线性运算(加、减法运算)(图3),以及信号模拟运算(信号放大和信号滤波)(图4)。另外,进一步证实了LMMD在智能识别、信息编码、通信和控制等方面的潜在应用价值(图5和6)。这项工作将为推动新一代柔性人工智能系统的发展开辟新思路。相应工作以 “Biomimetic Liquid Metal Mechatronic Devices” 为题发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上,理化所特别研究助理王玉书为本文第一作者,理化所研究员刘静和研究员饶伟为本文的共同通讯作者。
  在柔性电子领域,近期团队还针对液态金属微纳电路制造的普适性难题开展了流体动力学分析,从仿生学角度提出了差动毛细效应诱导的自组装方法,相应工作以“Bio-Inspired Differential Capillary Migration of Aqueous Liquid Metal Ink for Rapid Fabrication of High-Precision Monolayer and Multilayer Circuits”为题,同样发表在Advanced Functional Materials国际知名期刊上,天津理工大学机械工程学院张明宽为该文第一作者,中国科学院理化技术研究所研究员饶伟和特别研究助理王玉书为该文的共同通讯作者。


  论文链接:
  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303312
  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202215050
      


       文章来源:理化所
       刘静,男,1969年4月生。1999年7月起历任中国科学院理化技术研究所研究员(百人计划)、双聘研究员、低温生物医学工程学北京市重点实验室主任;2008年8月起任清华大学医学院生物医学工程系教授(百人计划)。清华大学燃气轮机专业工学士、现代应用物理专业理学士(1992年7月)、工程热物理专业工学博士(1996年2月);清华大学经管学院高级经理工商管理精选课程结业(2003.04—2005.05)。曾为清华大学热能工程系助教、讲师,美国Purdue大学博士后,MIT高级访问学者。2003年国家杰出青年科学基金获得者;曾先后荣获中国青年科技奖、茅以升科学技术奖—北京青年科技奖、美国机械工程师学会会刊<<电子封装学报>>年度唯一最佳论文奖等十余项奖励。出版有9部原创性跨学科前沿著作,均产生重要影响,其中之一已印刷5次(含台湾繁体字版);发表15篇应邀著作章节,期刊论文300余篇,国际会议论文80余篇;申请发明专利100余项(已获授权60余项)。




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