柔性壓力傳感器能夠仿效人類皮膚的機(jī)械感受器，將觸覺刺激轉(zhuǎn)換為定量的電信號，在智能機(jī)器人、健康監(jiān)測和人機(jī)接口等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計通常依賴于耗時的實驗和模擬過程，通過正向結(jié)構(gòu)-性能的設(shè)計路徑逐步探索可能的解決方案。這種方式不僅耗費時間和資源，而且每次實驗往往只能針對特定材料找到一個優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，難以實現(xiàn)廣泛的線性響應(yīng)。
相比之下，逆向設(shè)計方法則從預(yù)期的輸出特性入手，推導(dǎo)出所需的輸入?yún)?shù)，理論上能夠更高效地達(dá)到目標(biāo)功能。然而，傳感器的應(yīng)用場景和設(shè)計需求多樣復(fù)雜，導(dǎo)致常規(guī)依賴大量數(shù)據(jù)的設(shè)計方法難以有效執(zhí)行（如圖1）。因此，如何減少所需的數(shù)據(jù)量并實現(xiàn)高效的逆向設(shè)計，成為推動柔性壓力傳感器領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵問題。
圖1 柔性壓力傳感器正向與逆向設(shè)計方法示意圖
為了克服這些挑戰(zhàn)，南方科技大學(xué)郭傳飛教授、香港大學(xué)方絢萊教授研究團(tuán)隊合作提出了一種高效的逆向設(shè)計方法，通過引入降階模型來限制設(shè)計范圍，并提出了“跳躍選擇”方法以提高數(shù)據(jù)篩選效率。相關(guān)成果以“Data-driven inverse design of flexible pressure sensors”為題發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。這項研究的主要貢獻(xiàn)者包括劉之光、蔡旻堃、洪申達(dá)、石君利等人。通訊作者為南方科大郭傳飛教授和香港大學(xué)方絢萊教授。南方科技大學(xué)為該論文的第一通信單位。
具體而言，降階模型通過解析方法確定內(nèi)部約束條件，避免了昂貴的實驗和模擬，大幅降低了模型分析的成本。該方法通過限制設(shè)計范圍，將設(shè)計空間縮小至原先的四分之一甚至更少，從而減少了數(shù)據(jù)需求量。此外，“跳躍選擇”方法通過訓(xùn)練代理模型來預(yù)測結(jié)構(gòu)性能評分，并迭代更新數(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，從而快速找到具有高線性響應(yīng)的微結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
通過應(yīng)用這一高效的逆向設(shè)計方法，研究團(tuán)隊成功預(yù)測并實驗證明了多種具備線性響應(yīng)的柔性壓力傳感器微結(jié)構(gòu)設(shè)計。實驗結(jié)果表明，這些傳感器在動態(tài)和循環(huán)加載條件下表現(xiàn)出卓越的線性特性和靈敏度。尤其是，設(shè)計的線性傳感器陣列在各種位置和加載條件下，均能輸出與負(fù)載成正比的總電容信號，從而大幅簡化了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性。
團(tuán)隊采用摩方精密nanoArch? S130（精度：2 μm）3D打印設(shè)備，實現(xiàn)了所設(shè)計的復(fù)雜凸起結(jié)構(gòu)模板的高精度打印（最小橫向?qū)挾龋?0 μm，高度范圍：10~73 μm），并結(jié)合翻模技術(shù)制備了柔性PVA-H3PO4微結(jié)構(gòu)離電功能層（圖2）。
圖2 高精準(zhǔn)度的3D打印樹脂、PDMS、離子凝膠結(jié)構(gòu)的顯微鏡照片
此外，所設(shè)計結(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、高級醫(yī)療和人機(jī)接口等多種應(yīng)用場景提供了器件設(shè)計的技術(shù)途徑。
本研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省科技廳和深圳市科創(chuàng)局的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2320222121
