福師大趙毅、劉洋/西工大黃維院士合作《自然·通訊》：MXene助力實(shí)現(xiàn)“感知-處理-反饋”一體集成系統(tǒng)

隨著柔性物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和多感官人機(jī)交互應(yīng)用的快速發(fā)展，對(duì)能夠以智能、節(jié)能方式進(jìn)行多模態(tài)數(shù)據(jù)感知、處理和反饋的先進(jìn)系統(tǒng)需求日益迫切。然而，傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)中傳感、計(jì)算與反饋單元相互分離，導(dǎo)致能效低下、接口不匹配等諸多挑戰(zhàn)。

受高度集成的生物感官系統(tǒng)啟發(fā)，福建師范大學(xué)趙毅研究員、劉洋教授和西北工業(yè)大學(xué)黃維院士合作，成功開(kāi)發(fā)出一種基于MXene的柔性雙模傳感-處理-可視化集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)一種分層的MXene平臺(tái)，將壓電納米發(fā)電機(jī)（機(jī)械感知）、光電突觸（視覺(jué)處理）和變色量子點(diǎn)發(fā)光二極管（光學(xué)反饋）集成于單一可穿戴設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的機(jī)械與電學(xué)接口匹配。這一仿生集成系統(tǒng)展示了觸覺(jué)-視覺(jué)信號(hào)識(shí)別、對(duì)環(huán)境刺激的自適應(yīng)仿生自我保護(hù)行為、動(dòng)態(tài)軌跡識(shí)別以及用于運(yùn)動(dòng)識(shí)別的空間定位等強(qiáng)大功能，為可穿戴神經(jīng)形態(tài)硬件、邊緣計(jì)算和智能人機(jī)交互的發(fā)展開(kāi)辟了新道路。相關(guān)論文以“Bioinspired flexible sensing-processing-visualizing integrated system towards tactile-visual signal recognition”為題，發(fā)表在

Nature Communications

該集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈感源于生物細(xì)胞膜。如圖1所示，生物細(xì)胞膜作為一個(gè)共享的準(zhǔn)二維平臺(tái)，通過(guò)其上嵌入的不同蛋白質(zhì)（如感知壓力的Piezo2、感知視覺(jué)的視紫紅質(zhì)）實(shí)現(xiàn)多模態(tài)感知和高效的離子-電子信號(hào)傳導(dǎo)。研究團(tuán)隊(duì)借鑒這一“材料-架構(gòu)-功能”協(xié)同設(shè)計(jì)策略，利用二維材料MXene（Ti?C?T?）構(gòu)建了柔性傳感-處理-可視化集成系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)控MXene的尺寸和表面狀態(tài)，使其在系統(tǒng)中扮演多重角色：作為共享的高效導(dǎo)電平臺(tái)；在壓電納米發(fā)電機(jī)中作為增強(qiáng)觸覺(jué)感知的材料；在人工光電突觸中作為視覺(jué)感知和突觸材料；在變色量子點(diǎn)發(fā)光二極管中作為優(yōu)化的電荷注入層。圖1c展示了不同尺寸MXene的形貌及制備流程，所有組分均來(lái)自同一前驅(qū)體的高效利用，體現(xiàn)了低成本、環(huán)保的生產(chǎn)理念。

圖1 | 基于MXene的柔性傳感-處理-可視化集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 a 通過(guò)發(fā)生在細(xì)胞膜上的神經(jīng)傳導(dǎo)連接的生物多模態(tài)神經(jīng)系統(tǒng)示意圖。左圖：Piezo2離子通道蛋白在受壓時(shí)允許離子通過(guò)細(xì)胞膜并產(chǎn)生動(dòng)作電位。中圖：視紫紅質(zhì)在光照下，由于視網(wǎng)膜構(gòu)象變化影響輔基分離，允許離子通過(guò)并產(chǎn)生動(dòng)作電位。右圖：因外部刺激在大腦區(qū)域形成的痛覺(jué)和視覺(jué)。b 通過(guò)發(fā)生在大尺寸MXene上的電子傳導(dǎo)連接的基于MXene的柔性傳感-處理-可視化集成系統(tǒng)示意圖。左圖：含有中等尺寸MXene添加劑（極化鎖定）和大尺寸MXene電極的MXene雙功能壓電納米發(fā)電機(jī)。中圖：基于氧化小尺寸MXene（電荷俘獲）并配有大尺寸MXene電極的人工光電突觸。右圖：配有大尺寸MXene（高導(dǎo)電性）電極的變色量子點(diǎn)發(fā)光二極管。c 上圖：中等尺寸MXene（左）、氧化小尺寸MXene（中）和大尺寸MXene（右）的掃描電子顯微鏡圖像；比例尺：1 μm。下圖：最小強(qiáng)度層剝離法刻蝕和機(jī)械剝離過(guò)程示意圖。

圖2展示了基于MXene的雙功能壓電納米發(fā)電機(jī)的優(yōu)異特性。其中，中等尺寸的MXene作為添加劑，通過(guò)氫鍵作用鎖定PVDF-TrFE聚合物中的偶極子取向，顯著提升了壓電相的含量和輸出性能。而大尺寸MXene作為電極，改善了界面接觸和電荷收集效率。該器件在超過(guò)9900次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定的輸出電壓，顯示出卓越的機(jī)械耐久性和可靠性，其輸出電流與壓力呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，可用于精確的壓力傳感與標(biāo)定。

圖2 | MXene雙功能壓電納米發(fā)電機(jī)的表征。 a MXene雙功能壓電納米發(fā)電機(jī)制備過(guò)程示意圖。b 和 c 分別示意MXene雙功能壓電納米發(fā)電機(jī)在初始狀態(tài)和受壓狀態(tài)下的工作原理。d 在11N壓力下，不同MXene尺寸對(duì)應(yīng)的壓電輸出。e 不同中等尺寸MXene含量下，MXene雙功能壓電納米發(fā)電機(jī)的短路電流。f MXP-0.5的短路電流隨施加壓力（1.5至13N）線性增加。g 與其他電極對(duì)比，顯示MXene電極對(duì)電荷收集效率的提升。h COMSOL Multiphysics有限元分析模擬結(jié)果，支持實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在視覺(jué)與信息處理方面，圖3揭示了基于氧化小尺寸MXene的人工光電突觸的突觸特性。該器件在電脈沖和光脈沖刺激下，能夠模擬生物突觸的權(quán)重調(diào)節(jié)、短期記憶、雙脈沖易化等關(guān)鍵特性。特別值得一提的是，壓電納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電脈沖可直接用于調(diào)制光電突觸的導(dǎo)電狀態(tài)，無(wú)需外接脈沖電源，實(shí)現(xiàn)了感知信號(hào)的原位處理。該突觸器件在單脈沖刺激下的能耗極低，展現(xiàn)出在高能效神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中的應(yīng)用潛力。

圖3 | 基于氧化小尺寸MXene的人工光電突觸的突觸特性表征。 a 光電突觸結(jié)構(gòu)示意圖。b 氧化小尺寸MXene的高分辨率X射線光電子能譜P 2p譜。c 人工光電突觸的I-V掃描曲線（0→+1.2V→0V，循環(huán)10次）。d 通過(guò)15個(gè)幅度逐漸增加的正電脈沖和15個(gè)固定幅度的負(fù)電脈沖實(shí)現(xiàn)的連續(xù)電導(dǎo)調(diào)制。e 和 f 由壓電納米發(fā)電機(jī)觸發(fā)的人工光電突觸的興奮性突觸后電流，顯示脈沖數(shù)量和頻率增加對(duì)電流響應(yīng)的增強(qiáng)。g 和 h 在不同紫外光照射時(shí)間和脈沖數(shù)下，人工光電突觸的光電流響應(yīng)行為。i 不同頻率連續(xù)光脈沖序列下的人工光電突觸興奮性突觸后電流。j 光誘導(dǎo)雙脈沖易化行為及擬合的時(shí)間常數(shù)。k 4位光脈沖輸入對(duì)應(yīng)16種不同響應(yīng)狀態(tài)。l 開(kāi)爾文探針力顯微鏡表征，顯示光照下薄膜表面電勢(shì)變化，表明界面處電荷積累。

為了實(shí)現(xiàn)感知信息的直觀反饋，研究團(tuán)隊(duì)在圖4中集成了變色量子點(diǎn)發(fā)光二極管。該器件利用大尺寸MXene作為導(dǎo)電層，其功函數(shù)與電荷注入層良好匹配，實(shí)現(xiàn)了高效電荷注入。通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓，可以控制紅/綠量子點(diǎn)的發(fā)光比例，從而實(shí)現(xiàn)從紅光到綠光的顏色變化。受章魚(yú)皮膚自適應(yīng)變色行為的啟發(fā)，該系統(tǒng)被賦予環(huán)境自適應(yīng)功能。當(dāng)同時(shí)施加壓力和光刺激時(shí)，系統(tǒng)的“觸覺(jué)”與“視覺(jué)”輸入?yún)f(xié)同作用，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)出不同顏色的光（如紅光代表非防御狀態(tài)、黃光代表環(huán)境監(jiān)測(cè)狀態(tài)、綠光代表警報(bào)狀態(tài)），直觀反映環(huán)境刺激的強(qiáng)度與模式。

圖4 | 基于柔性傳感-處理-可視化集成系統(tǒng)的可視化雙模傳感及其環(huán)境自適應(yīng)應(yīng)用。 a 變色量子點(diǎn)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。b 變色量子點(diǎn)發(fā)光二極管的能級(jí)圖及電荷載流子轉(zhuǎn)移過(guò)程。c 不同電壓下的歸一化電致發(fā)光光譜。d 柔性傳感-處理-可視化集成系統(tǒng)中信號(hào)采集與處理示意圖。e 章魚(yú)在光和觸覺(jué)壓力刺激下變色的示意圖。f 仿章魚(yú)環(huán)境自適應(yīng)雙模感知與可視化能力的系統(tǒng)示意圖。g 變色量子點(diǎn)發(fā)光二極管在不同壓力和光強(qiáng)刺激下的發(fā)光強(qiáng)度變化。h 變色量子點(diǎn)發(fā)光二極管在不同電壓下的國(guó)際照明委員會(huì)色度圖。

最后，圖5展示了該集成系統(tǒng)在多模態(tài)信息感知與識(shí)別方面的強(qiáng)大應(yīng)用能力。在復(fù)雜的多模態(tài)圖像識(shí)別任務(wù)中，系統(tǒng)對(duì)受污染的圖像（部分區(qū)域僅能通過(guò)觸覺(jué)信號(hào)感知）實(shí)現(xiàn)了91%的分類準(zhǔn)確率。此外，在一個(gè)簡(jiǎn)化的羽毛球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別四種不同的擊球類型、八個(gè)方向的球拍擺動(dòng)軌跡，并通過(guò)兩個(gè)光電探測(cè)器捕捉發(fā)光二極管的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度的空間定位。這些功能充分展現(xiàn)了其在動(dòng)態(tài)、交互式多感官人機(jī)交互場(chǎng)景中的應(yīng)用價(jià)值。

圖5 | 多模態(tài)信息感知與識(shí)別。 a 在復(fù)雜環(huán)境中識(shí)別多模態(tài)Fashion-MNIST數(shù)據(jù)集的示意圖。b 對(duì)七類圖像進(jìn)行分類的混淆矩陣。c 在一個(gè)簡(jiǎn)單的羽毛球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中，柔性傳感-處理-可視化集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)擊球類型識(shí)別、動(dòng)態(tài)球拍擺動(dòng)軌跡識(shí)別和位置識(shí)別的示意圖，應(yīng)用于多感官交互場(chǎng)景。d 用于動(dòng)態(tài)識(shí)別擊球類型和球拍擺動(dòng)軌跡的傳感內(nèi)儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)示意圖。e 對(duì)不同擊球類型進(jìn)行分類的混淆矩陣。f 和 g 讀出層單元的讀出函數(shù)值，表示對(duì)應(yīng)軌跡的概率。h 訓(xùn)練前后權(quán)重分布的初始與最終狀態(tài)。i 球拍擺動(dòng)軌跡識(shí)別的交叉熵?fù)p失和準(zhǔn)確率。j 位置檢測(cè)原理示意圖。k 估計(jì)點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比。l 位置檢測(cè)的訓(xùn)練損失和驗(yàn)證損失。

這項(xiàng)研究通過(guò)仿生的材料-架構(gòu)-功能協(xié)同設(shè)計(jì)策略，成功構(gòu)建了集機(jī)械感知、視覺(jué)處理與光學(xué)反饋于一體的柔性集成系統(tǒng)。它不僅高效處理了觸覺(jué)與視覺(jué)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境自適應(yīng)交互，更在多模態(tài)圖像識(shí)別、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤與空間定位方面表現(xiàn)出色。該工作凸顯了MXene在仿生功能集成柔性電子領(lǐng)域的巨大潛力，為下一代智能可穿戴設(shè)備及多感官人機(jī)交互系統(tǒng)的發(fā)展提供了一條充滿希望的技術(shù)路徑。