靈活的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和多感官人機(jī)交互的快速發(fā)展需要能夠以智能和節(jié)能的方式進(jìn)行多模態(tài)數(shù)據(jù)感知、處理和反饋的先進(jìn)系統(tǒng)。然而，由于感知、處理和反饋單元的碎片化架構(gòu)，傳統(tǒng)架構(gòu)面臨能量低效率和界面不匹配的限制。

西北工業(yè)大學(xué)黃維院士，福建師范大學(xué)趙毅教授、劉洋教授等人受生物傳感系統(tǒng)的啟發(fā)，將基于MXene的柔性雙模傳感-處理-可視化集成系統(tǒng)引入到單個(gè)可穿戴設(shè)備中，通過分層MXene平臺(tái)將壓電納米發(fā)電機(jī)（機(jī)械感覺）、光電突觸（視覺處理）和變色量子點(diǎn)發(fā)光二極管（光反饋）與優(yōu)化的界面結(jié)合在一起。該可穿戴集成系統(tǒng)具有觸覺-視覺信號(hào)識(shí)別能力，適應(yīng)環(huán)境刺激的生物自我保護(hù)行為，動(dòng)態(tài)軌跡識(shí)別和運(yùn)動(dòng)識(shí)別的空間定位，這些都是多感官交互中非常需要的。仿生材料-建筑-功能協(xié)同設(shè)計(jì)策略和集成系統(tǒng)促進(jìn)了可穿戴神經(jīng)形態(tài)硬件、邊緣計(jì)算和智能人機(jī)交互的發(fā)展。

相關(guān)工作以《Bioinspired flexible sensing-processing-visualizing integrated system towards tactile-visual signal recognition》為題在《Nature Communications》上發(fā)表論文。從Peer review文件上可以看到，該研究歷經(jīng)了3輪審稿，從投稿到接收歷經(jīng)275天！

圖文介紹

圖1 基于MXene的柔性傳感-處理-可視化集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

細(xì)胞膜作為一種通用平臺(tái)，通過共享組件增強(qiáng)了營養(yǎng)物質(zhì)的利用以及機(jī)械和電信號(hào)的兼容性，發(fā)揮著多種作用，包括通過插入的Piezo2實(shí)現(xiàn)觸覺感知，通過插入的視紫紅質(zhì)實(shí)現(xiàn)視覺感知，將感覺刺激轉(zhuǎn)化為離子-電子信號(hào)，并高效傳輸這些信號(hào)以進(jìn)行交互和處理，從而促進(jìn)各種生理過程（圖1a）。基于準(zhǔn)二維多功能細(xì)胞膜的多感官感知-處理-反饋系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)為仿生電子領(lǐng)域的融合材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的啟示，以實(shí)現(xiàn)多模式、可穿戴和界面匹配功能。

本文提出了一種基于MXene的柔性傳感-處理-可視化集成系統(tǒng)（FSPVS），具有機(jī)械和電子匹配的界面，可穿戴智能傳感系統(tǒng)（圖1b）。通過定制尺寸和表面狀態(tài)，MXene具有多種功能，包括共享高效電傳導(dǎo)平臺(tái)、觸覺增強(qiáng)材料、視覺感覺和突觸材料，以及具有最小能量勢(shì)壘的優(yōu)選電荷注入層，從而實(shí)現(xiàn)感覺刺激轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)并有效傳輸。大型MXene （L-MXene）作為一個(gè)共享平臺(tái)，包含以下集成單元：通過中型MXene（M-MXene）界面極化鎖定調(diào)節(jié)壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）實(shí)現(xiàn)機(jī)械感應(yīng)；基于氧化小尺寸MXene （OSMX）的人工光電突觸（AOS）的視覺感覺和突觸功能集成色移量子點(diǎn)發(fā)光二極管（CS-QLED）光反饋。

這些MXene的形貌和物相表征如圖1c從左到右所示。首先，采用“MILD”方法刻蝕富Al的Ti3AlC2 MAX（MXene前驅(qū)體），得到缺陷最小的多層MXene。隨后，利用渦旋振蕩產(chǎn)生的機(jī)械力對(duì)多層MXene進(jìn)行剝離，得到L-MXene和M-MXene，保持橫向尺寸，使面內(nèi)缺陷最小化。利用離心力進(jìn)一步分離富含-OH端部的M-MXene和具有最小缺陷的大橫向尺寸L-MXene，分別匹配PENG、AOS和CS-QLED的器件應(yīng)用。此外，為了滿足材料利用和AOS應(yīng)用要求，機(jī)械上不可剝蝕的多層MXene首先被超聲破碎成S-MXene，然后氧化和表面功能化，以產(chǎn)生含有豐富缺陷位點(diǎn)的光響應(yīng)性O(shè)SMX。

圖2 MXene基雙功能PENG的表征

自供電MXene基雙功能PENG，類似于Piezo2的觸覺傳感單元，是通過在共享的L-MXene導(dǎo)電層（圖2a）上沉積M-MXene/P(VDF-TrFE)（MXP）來制造的，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。此外，MXene具有豐富和可調(diào)的表面末端，有利于溶液處理，能夠在各種溶劑中均勻分散，包括水、極性和非極性有機(jī)溶劑。圖2b、c分別展示了MXene基雙功能PENG在初始狀態(tài)和加壓狀態(tài)下的工作機(jī)理。M-MXene和P(VDF-TrFE)基體之間的界面極化導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)電偶極子的取向相對(duì)均勻（圖2b）。壓縮后，自極化效應(yīng)加上變形偶極子的形成，誘導(dǎo)薄膜表面產(chǎn)生極化電荷。這些電荷隨后被吸引并積聚在帶電表面上，從而形成壓電電位（圖2c）。因此，外部自由電荷遷移到電極并積累以抵消壓電電位。

作者初步研究了不同薄片尺寸的MXene對(duì)PENG壓電性能的影響（圖2d）。當(dāng)使用具有合適片狀尺寸的M-MXene作為添加劑時(shí)，得到的MXene基雙功能PENG顯示出最高的輸出，這可歸因于有效增強(qiáng)的界面極化和最小化的泄漏電流。進(jìn)一步評(píng)估了壓電輸出性能，包括開路電壓和短路電流的測(cè)量（圖2e）。兩個(gè)指標(biāo)都表明，MXene基雙功能PENG的輸出性能在MXene含量為0.5 wt%時(shí)達(dá)到峰值。圖2f顯示，在1.5~13 N范圍內(nèi)，MXP-0.5的短路電流隨施加壓力呈線性增加，表明輸出電流與壓力呈線性關(guān)系，可以進(jìn)行精確的信號(hào)校準(zhǔn)和準(zhǔn)確的壓力估計(jì)。

在PENG中，M-MXene作為添加劑和L-MXene作為電極的雙重功能作用改善了界面接觸，顯著提高了電荷收集效率（圖2g）。這導(dǎo)致了壓力刺激下電流密度的大幅增加，這明顯高于使用其他電極的壓電薄膜。制備的MXene基雙功能PENG具有優(yōu)異的機(jī)械界面匹配性能和9900次以上穩(wěn)定的輸出電壓，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械耐久性和可靠性。COMSOL多場(chǎng)有限元分析仿真結(jié)果進(jìn)一步支持了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖2h）。

圖3 基于OSMX的AOS突觸特性的表征

通過將基于OSMX的AOS集成在共享的柔性透明L-MXene薄導(dǎo)電層上，可以獲得視覺感覺和突觸功能（圖3a）。為了獲得AOS所需的光感知能力和電荷捕獲能力，同時(shí)提高M(jìn)Xene合成過程的效率，實(shí)施了兩步改性程序：（1）通過超聲破碎廢棄的多層MXene來制備的S-MXene能夠被可控地氧化為TiOx基的OSMX，同時(shí)提高了光響應(yīng)性和缺陷密度，從而增強(qiáng)了電荷捕獲能力，進(jìn)而提升了突觸性能；（2）使用正十二烷基磷酸（DDPA）對(duì)表面進(jìn)行功能化處理，提高了有機(jī)溶劑中的膠體穩(wěn)定性（圖3b）。

為了評(píng)估該裝置的突觸可塑性，對(duì)AOS進(jìn)行了電測(cè)試。通過測(cè)量I-V曲線對(duì)模擬電阻開關(guān)行為進(jìn)行了表征，顯示了良好的電阻開關(guān)能力。采用連續(xù)電壓掃描方式對(duì)L-MXene電極施加正電壓（0 V→+ 1.2 V→0 V），使電流逐漸增大（圖3c）。相反，施加負(fù)電壓（0 V→-1.2 V→0 V）會(huì)導(dǎo)致電流持續(xù)減小。為了闡明AOS的電學(xué)機(jī)制，對(duì)I-V曲線進(jìn)行了詳細(xì)的擬合分析。圖3d顯示了電壓脈沖刺激下器件電導(dǎo)（突觸重量）的調(diào)制過程。通過施加不同幅值的定寬電壓脈沖，器件電導(dǎo)隨正脈沖幅值的增加而增加。通過施加不同幅值的定寬電壓脈沖，器件電導(dǎo)隨正脈沖幅值的增加而增加。

在測(cè)試過程中，PENG直接連接到AOS。PENG可以通過其壓電效應(yīng)直接產(chǎn)生不同幅度和脈沖的電脈沖，而無需使用外部脈沖電源。當(dāng)產(chǎn)生的電脈沖的數(shù)量和頻率都增加時(shí)，AOS表現(xiàn)出增強(qiáng)的電流響應(yīng)，模仿生物系統(tǒng)在外部刺激下的增強(qiáng)反應(yīng)性（圖3e、f）。從電阻開關(guān)機(jī)制的角度來看，脈沖數(shù)量的增加導(dǎo)致缺陷部位捕獲的電荷進(jìn)一步積累，從而增強(qiáng)器件的導(dǎo)電性。此外，當(dāng)脈沖頻率增加時(shí)，在施加后續(xù)脈沖之前，在前一個(gè)脈沖期間捕獲的電荷不能完全釋放，導(dǎo)致電荷隨著時(shí)間的推移而逐漸積累。

在人類視覺系統(tǒng)中，光信號(hào)照射的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間是獲取圖像信息的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)不可見紫外線的檢測(cè)和識(shí)別可以有效地避免可見光的干擾，有利于人工視覺系統(tǒng)的發(fā)展。AOS在不同紫外（365 nm）光持續(xù)時(shí)間、脈沖數(shù)和光強(qiáng)下的光電流響應(yīng)行為如圖3g和h所示，證明了光刺激參數(shù)對(duì)EPSC的調(diào)節(jié)作用。光照條件的改變不僅直接決定了響應(yīng)幅度，而且有效地調(diào)節(jié)了隨后的弛豫過程。圖3i進(jìn)一步說明了當(dāng)AOS受到不同頻率的連續(xù)光脈沖序列時(shí)的EPSC。當(dāng)峰值頻率從0.2 Hz增加到0.67 Hz時(shí)，累積效應(yīng)變得越來越顯著，導(dǎo)致明顯的EPSC響應(yīng)。

圖4 基于FSPVS的環(huán)境自適應(yīng)可視化雙模傳感器

通過將CS-QLED集成在共享的L-MXene導(dǎo)電層上，可以獲得感官反饋功能（圖4a）。利用CS-QLED作為反饋單元，利用其在可見光譜中的高色純度和可調(diào)性，以及它們?cè)诓煌r底上的溶液可處理性，從而促進(jìn)了柔性電子皮膚的發(fā)展。通過混合紅綠量子點(diǎn)（R/G量子點(diǎn)）可以實(shí)現(xiàn)不同波長的光發(fā)射。L-MXene除了具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，良好的透明度和出色的抗彎性能外，其功函數(shù)約為4.9 eV，與PEDOT:PSS電荷注入層（約5.1 eV）非常接近。這種匹配有助于高效的電荷注入，并實(shí)現(xiàn)最佳的電界面匹配（圖4b）。隨著CS-QLED電壓的升高（2.8~7.4 V，圖4c），~543 nm處的綠色發(fā)射強(qiáng)度逐漸增大，~632 nm處的紅色發(fā)射強(qiáng)度逐漸減小。

受章魚獨(dú)特的感覺和神經(jīng)特性的啟發(fā)，開發(fā)了一種靈活的仿生觸覺-視覺-光學(xué)反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以利用PENG、AOS和CS-QLED的潛力。系統(tǒng)的信號(hào)采集和處理工作流程如圖4d所示。由于CS-QLED需要相當(dāng)大的驅(qū)動(dòng)電壓來誘導(dǎo)從紅色到綠色的顏色變化，因此集成了電流放大模塊以滿足其操作需求。所設(shè)計(jì)的電路可以在只接收視覺信號(hào)而不接收觸覺信號(hào)的情況下正常工作。FSPVS的決策邏輯如下：PENG檢測(cè)壓力信號(hào)，而AOS接收光輸入。壓力和光的聯(lián)合刺激協(xié)同作用于AOS，觸發(fā)EPSCs的產(chǎn)生。這些EPSCs隨后被外圍電路中的轉(zhuǎn)換單元捕獲并轉(zhuǎn)換成具有不同幅度的電壓，從而有效地驅(qū)動(dòng)CS-QLED產(chǎn)生視覺輸出并實(shí)現(xiàn)顏色切換。

一些生物體的皮膚具有獨(dú)特的附加功能，使它們能夠有效地進(jìn)行生理活動(dòng)。例如，章魚的皮膚可以根據(jù)外部刺激（如壓力或光刺激）迅速改變顏色，從而實(shí)現(xiàn)有效的偽裝。圖4f展示了系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)旨在模仿章魚的環(huán)境自適應(yīng)雙模式感知和可視化能力。當(dāng)光和壓電刺激同時(shí)施加時(shí)，光子激發(fā)和壓電調(diào)節(jié)協(xié)同增強(qiáng)電導(dǎo)率。因此，隨著AOS電阻的減小，會(huì)產(chǎn)生放大的電流，并隨之轉(zhuǎn)化為放大的驅(qū)動(dòng)電壓，從而有效地誘導(dǎo)CS-QLED發(fā)生明顯的顏色變化。

如圖4g所示，在沒有額外光刺激的情況下，增加壓力可以誘導(dǎo)CS-QLED從紅光（狀態(tài)1：非防御模式）到黃光（狀態(tài)2：環(huán)境監(jiān)測(cè)模式）的發(fā)射發(fā)生轉(zhuǎn)變（發(fā)光強(qiáng)度閾值1）。同樣，在沒有外界壓力刺激的情況下，光強(qiáng)的增加也可以觸發(fā)相同的發(fā)射躍遷。當(dāng)同時(shí)施加光和壓力刺激時(shí)，以光輸入為主導(dǎo)（20 mW cm-2光刺激和1.5 N壓力刺激），CS-QLED發(fā)出超過閾值1的黃光（狀態(tài)2）。相反，當(dāng)壓力刺激占主導(dǎo)地位時(shí)（5 N壓力刺激和6 mW cm-2光刺激），隨著刺激數(shù)量的增加，CS-QLED最初發(fā)出高于閾值1的黃光，并逐漸過渡到超過閾值2的綠光（狀態(tài)3：警報(bào)模式）。當(dāng)適當(dāng)?shù)膲毫凸鈴?qiáng)同時(shí)施加時(shí)，CS-QLED發(fā)出超過閾值1的黃光（狀態(tài)2）。當(dāng)高壓和強(qiáng)光同時(shí)施加時(shí)，CS-QLED超過閾值2（狀態(tài)3），發(fā)出綠光。

圖5 多模式信息感知與識(shí)別

為了展示集成系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在此實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)圖像識(shí)別任務(wù)。在識(shí)別污染圖像時(shí)（圖5a），被不透明材料覆蓋的左側(cè)只能通過觸覺信號(hào)（電信號(hào)）感知，而右側(cè)仍然可以通過視覺信號(hào)（光信號(hào)）感知。因此，采用多模態(tài)混合輸入“EEOO”模式（包括兩個(gè)電脈沖和兩個(gè)光脈沖）。這種模式顯示了明顯的功能空間劃分：“EE”部分選擇性地響應(yīng)圖像的左半部分，而“OO”部分專門響應(yīng)右半部分。隨后，使用混合輸入“EEOO”模式讀取處理后的圖像。訓(xùn)練過程結(jié)束后，突觸權(quán)值由隨機(jī)分布變?yōu)檎龖B(tài)分布，表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到了有效訓(xùn)練?；煜仃嚕▓D5b）和達(dá)到91%的準(zhǔn)確率顯示了混合輸入策略在多模態(tài)識(shí)別任務(wù)中的有效性。

除了靜態(tài)圖像識(shí)別之外，還以簡化的羽毛球場(chǎng)景為例，進(jìn)一步評(píng)估了系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)信息感知和識(shí)別方面的潛力（圖5c）。具體來說，用戶A和用戶B的手腕上都戴著FSPVS。即使位于不同的空間，這兩個(gè)用戶也能夠進(jìn)行在線互動(dòng)（圖5c）。例如，當(dāng)用戶A揮動(dòng)球拍擊打虛擬羽毛球時(shí)，F(xiàn)SPVS可以準(zhǔn)確檢測(cè)到正手重拍（F-HS）、正手輕拍（F-LS）、反手重拍（B-HS）和反手輕拍（B-LS）四種基本擊球類型。同時(shí)，F(xiàn)SPVS識(shí)別出球拍在8個(gè)不同方向的擺動(dòng)軌跡。此外，兩個(gè)光電探測(cè)器（PD）捕獲CS-QLED感應(yīng)發(fā)光信號(hào)以確定位置數(shù)據(jù)。這些打擊類型、軌跡識(shí)別和空間定位使用戶B能夠適當(dāng)和迅速地作出反應(yīng)。

在羽毛球場(chǎng)景中，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（代表壓電信號(hào)）和球拍擺動(dòng)（代表光學(xué)信號(hào)）同時(shí)發(fā)生，并分別輸入到工作在電學(xué)和光學(xué)模式的AOSs中（作為RC單元）（圖5d）。對(duì)于球拍揮動(dòng)軌跡的識(shí)別，光脈沖對(duì)于信息處理至關(guān)重要。為了將連續(xù)幀中的空間和時(shí)間信息整合為一個(gè)緊湊的表示形式，將每個(gè)幀圖像劃分為四個(gè)連續(xù)的子幀（t0、t1、t2和t3），分別代表球拍揮動(dòng)的四個(gè)不同時(shí)刻。當(dāng)檢測(cè)到球拍（黃色像素）時(shí)，會(huì)對(duì)每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的AOS應(yīng)用光脈沖。當(dāng)未檢測(cè)到任何拍頻運(yùn)動(dòng)（藍(lán)色像素）時(shí)，就不會(huì)施加光學(xué)脈沖。光脈沖序列（從(0000)到(1111)）作為輸入被輸入到憶阻器的物理存儲(chǔ)器中，從而導(dǎo)致器件的EPSC值發(fā)生變化。這一過程將每個(gè)像素的時(shí)間演變嵌入到單個(gè)憶阻器的導(dǎo)電性中，從而表征物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間特征。

作者驗(yàn)證了測(cè)試集中目標(biāo)標(biāo)簽與輸出標(biāo)簽的混淆矩陣，結(jié)果表明系統(tǒng)可以有效識(shí)別不同的打擊類型（圖5e）。此外，傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)庫使用自定義數(shù)據(jù)集準(zhǔn)確識(shí)別球拍運(yùn)動(dòng)，包括八個(gè)不同的方向（圖5f、g）。在訓(xùn)練過程中，目標(biāo)輸入的讀出函數(shù)F值不斷增大，而非目標(biāo)輸入的讀出函數(shù)F值不斷減小。圖5h顯示了訓(xùn)練前后的初始和最終權(quán)重分布。球拍揮拍軌跡識(shí)別的交叉熵?fù)p失和準(zhǔn)確率如圖5i所示。

文獻(xiàn)信息

Bioinspired flexible sensing-processing-visualizing integrated system towards tactile-visual signal recognition，Nature Communications，2026.

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67316-0

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