【產(chǎn)通社，8月29日訊】南方科技大學(xué)（Southern University of Science and Technology, SUSTech）官網(wǎng)消息，材料科學(xué)與工程系郭傳飛教授與香港大學(xué)機(jī)械工程系方絢萊教授團(tuán)隊(duì)合作，共同提出一種用于柔性壓力傳感器功能性微結(jié)構(gòu)的高效逆向設(shè)計(jì)方法，該研究工作以“Data-driven inverse design of flexible pressure sensors”為題發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上（PNAS 2024, 121 （28）, e2320222121）。

柔性壓力傳感器能夠模擬人類皮膚的機(jī)械感受器，將觸覺刺激轉(zhuǎn)化為定量電信號(hào)，在智能機(jī)器人、健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)接口等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計(jì)方法依賴于耗時(shí)的試驗(yàn)和模擬，通過(guò)正向的結(jié)構(gòu)-性能設(shè)計(jì)路徑逐步探索可能的解決方案。這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且每次實(shí)驗(yàn)通常只能找到一個(gè)適用于特定材料的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)廣泛的線性響應(yīng)。逆向設(shè)計(jì)方法則通過(guò)從所需的輸出特性出發(fā)，反推出輸入?yún)?shù)，理論上能夠更高效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。然而，由于傳感器應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)需求多種多樣，常規(guī)基于大量數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方法難以有效運(yùn)用。因此，如何減少所需數(shù)據(jù)量、實(shí)現(xiàn)高效逆向設(shè)計(jì)，是推動(dòng)柔性壓力傳感器領(lǐng)域進(jìn)步的關(guān)鍵所在。

為了克服這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種高效的逆向設(shè)計(jì)方法，通過(guò)引入降階模型來(lái)限制設(shè)計(jì)范圍，并提出了“跳躍選擇”方法以提高數(shù)據(jù)篩選效率。降階模型通過(guò)解析的方法確定內(nèi)部約束條件，無(wú)需進(jìn)行昂貴的實(shí)驗(yàn)和模擬，顯著減少了模型分析所需的成本。這種方法通過(guò)限制設(shè)計(jì)范圍，將設(shè)計(jì)空間合理縮小到原來(lái)的四分之一甚至更少，從而降低了數(shù)據(jù)的需求量。此外，“跳躍選擇”方法通過(guò)訓(xùn)練代理模型預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)性能評(píng)分，迭代更新數(shù)據(jù)集和模型，以六倍于傳統(tǒng)隨機(jī)選擇的效率進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，從而快速獲得具有高線性響應(yīng)的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

研究團(tuán)隊(duì)利用這一高效逆向設(shè)計(jì)方法，成功預(yù)測(cè)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多種具有線性響應(yīng)的柔性壓力傳感器微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這些傳感器在動(dòng)態(tài)和循環(huán)加載下表現(xiàn)出優(yōu)異的線性和靈敏度。特別是，所設(shè)計(jì)的線性傳感器陣列在不同位置和加載條件下均表現(xiàn)出和負(fù)載成正比的總電容信號(hào)輸出，從而大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理過(guò)程。此外，所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的線性響應(yīng)還能夠應(yīng)用于多種不同材料和測(cè)試條件，證明了該方法的廣泛適用性和有效性，為智能機(jī)器人、高級(jí)醫(yī)療和人機(jī)接口等多種應(yīng)用場(chǎng)景提供了器件設(shè)計(jì)的技術(shù)途徑。

該工作以南方科技大學(xué)為第一通訊單位，郭傳飛教授和香港大學(xué)方絢萊教授為通訊作者，課題組前博士后劉之光、碩士生蔡旻堃、北京大學(xué)健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)國(guó)家研究院副教授洪申達(dá)以及課題組博士生石君利為共同第一作者。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省科技廳和深圳市科創(chuàng)局的支持。

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