智能傳感設(shè)備已在諸多領(lǐng)域應(yīng)用，但智能傳感設(shè)備模擬人類味覺器官感受物質(zhì)的能力仍有待提高。

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(tuán)隊(duì)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(dòng)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)。

得益于將液體的摩擦電特征指紋信號(hào)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，在機(jī)器人味覺傳感、液體食品風(fēng)味檢測、飲品糖分檢測、環(huán)境監(jiān)測以及酒精含量檢測這5種不同應(yīng)用場景中，該系統(tǒng)對(duì)常見液體的預(yù)測準(zhǔn)確率均高于90%。此外，液體視覺信息的加入進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的感知能力，在上述5種應(yīng)用場景中，液體識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)96%。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(jì)，連同可自主產(chǎn)生摩擦電信號(hào)的液滴基味覺傳感器，為開發(fā)高效、低成本的液體傳感設(shè)備用于液體食品安全管理提供了技術(shù)方向。近日，相關(guān)成果發(fā)表于《自然-食品》期刊。

以納米發(fā)電機(jī)為傳感探針

人類的味覺識(shí)別系統(tǒng)有高度復(fù)雜的感知機(jī)制，在舌頭這一主要味覺器官上，分布著幾千個(gè)味覺感受器——味蕾。受味覺系統(tǒng)多感官交互作用的啟發(fā)，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種綜合味覺、視覺兩種感知模式的液體識(shí)別系統(tǒng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在與聚合物表面的接觸過程中，液滴形態(tài)發(fā)生“鋪展-收縮-再鋪展”的動(dòng)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)移形成不同的摩擦電信號(hào)，因此，能夠用摩擦納米發(fā)電機(jī)作為液體傳感探針。

為更簡潔直觀地驗(yàn)證這種液體傳感策略的可行性，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人提議采用一種空間排布兩個(gè)電極的開放式摩擦納米發(fā)電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)原型。該原型的優(yōu)勢在于可主動(dòng)產(chǎn)生摩擦電信號(hào)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(jì)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說，“由于電子親和力和接觸角的差異，去離子水水滴與不同摩擦層材料接觸時(shí)，不同摩擦層材料反饋的感應(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(duì)復(fù)雜，除了影響液滴在斜面的移動(dòng)速度外，傾斜角度還會(huì)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(shí)間、液滴在聚合物表面的降落點(diǎn)位置等。這些受傾斜角度影響后的參數(shù)響應(yīng)趨勢不同，共同作用于輸出電流。”

由此，研究人員對(duì)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(jì)。

創(chuàng)建完善的“液體指紋庫”

特征提取是實(shí)現(xiàn)味覺感知的一個(gè)關(guān)鍵部分。

“液體特征一部分來自液滴依次觸發(fā)兩個(gè)獨(dú)立銅電極所產(chǎn)生的雙摩擦電信號(hào)，另一部分提取自從圖像傳感器采集的液滴圖像?！眳侵螏F認(rèn)為，這是該研究在特征提取方面的創(chuàng)新之處，“液體成分的變化會(huì)引起電流輸出信號(hào)的變化，這種變化如果被更全面量化，便可作為液體的‘二元特征’，為液體樣品辨識(shí)提供合理化的技術(shù)指導(dǎo)”。

此外，許多肉眼無法分辨的細(xì)微信息也值得深入發(fā)掘。例如從液滴摩擦電信號(hào)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。

在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)的支持下，研究團(tuán)隊(duì)有效提取出更多的液體細(xì)微特征，他們形象地稱其為“液體指紋”。基于此，他們創(chuàng)建并進(jìn)一步豐富了“液體指紋庫”，以使液體識(shí)別更加準(zhǔn)確、全面。

“雙感”協(xié)同增強(qiáng)味覺傳感能力

舌頭上的味蕾幫助人們感受味道，每個(gè)味蕾中均有能分辨不同味道的味覺細(xì)胞。盡管現(xiàn)階段無法完全復(fù)刻人類味覺系統(tǒng)的感知機(jī)制，但研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不同液滴滑過傳感電極時(shí)，可以自動(dòng)產(chǎn)生包含獨(dú)特特征的摩擦電信號(hào)。

這種特征差異來自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(shí)，液體的完整特征也包含視覺方面的因素。如果味覺與視覺兩種感知模式能夠提供互補(bǔ)的液體信息，分析就能更加全面、準(zhǔn)確。

“在5種應(yīng)用場景中，使用摩擦電式味覺傳感器的智能識(shí)別系統(tǒng)的預(yù)測準(zhǔn)確率高于90%?！眳侵螏F補(bǔ)充說，“而有圖像傳感器配合時(shí)，傳感系統(tǒng)的感知能力進(jìn)一步增強(qiáng)，5種應(yīng)用場景中，液體識(shí)別準(zhǔn)確率平均提升4.5個(gè)百分點(diǎn)。”

審核編輯：彭菁