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隊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和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習算法相結(jié)合，在機器人味覺傳感、液體食品風味檢測、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)對常見液體的預(yù)測準確率均高于90%。此外，液體視覺信息的加入進一步提高了系統(tǒng)的感知能力，在上述5種應(yīng)用場景中，液體識別準確率高達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，連同可自主產(chǎn)生摩擦電信號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)電機為傳感探針

人類的味覺識別系統(tǒng)有高度復(fù)雜的感知機制，在舌頭這一主要味覺器官上，分布著幾千個味覺感受器——味蕾。受味覺系統(tǒng)多感官交互作用的啟發(fā)，該研究團隊設(shè)計出一種綜合味覺、視覺兩種感知模式的液體識別系統(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，因此，能夠用摩擦納米發(fā)電機作為液體傳感探針。

為更簡潔直觀地驗證這種液體傳感策略的可行性，團隊負責人提議采用一種空間排布兩個電極的開放式摩擦納米發(fā)電機作為實驗原型。該原型的優(yōu)勢在于可主動產(chǎn)生摩擦電信號而不需要外部電源。

“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)計參數(shù)?！闭撐牡谝蛔髡摺⒅袊茖W(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，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)系相對復(fù)雜，除了影響液滴在斜面的移動速度外，傾斜角度還會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間、液滴在聚合物表面的降落點位置等。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?！?/p>

由此，研究人員對摩擦層材料、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)進行了詳細探究，以優(yōu)化摩擦電式傳感器的設(shè)計。

創(chuàng)建完善的“液體指紋庫”

特征提取是實現(xiàn)味覺感知的一個關(guān)鍵部分。

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

此外，許多肉眼無法分辨的細微信息也值得深入發(fā)掘。例如從液滴摩擦電信號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)習技術(shù)的支持下，研究團隊有效提取出更多的液體細微特征，他們形象地稱其為“液體指紋”?；诖耍麄儎?chuàng)建并進一步豐富了“液體指紋庫”，以使液體識別更加準確、全面。

“雙感”協(xié)同增強味覺傳感能力

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

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，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的液體信息，分析就能更加全面、準確。

“在5種應(yīng)用場景中，使用摩擦電式味覺傳感器的智能識別系統(tǒng)的預(yù)測準確率高于90%。”吳治嶧補充說，“而有圖像傳感器配合時，傳感系統(tǒng)的感知能力進一步增強，5種應(yīng)用場景中，液體識別準確率平均提升4.5個百分點。”

審核編輯：彭菁