科研團(tuán)隊(duì)提出一種人工智能（AI）驅(qū)動(dòng)的可穿戴面罩式自修復(fù)傳感器陣列

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）傳感器陣列有望為監(jiān)測(cè)環(huán)境中VOC的污染水平和個(gè)人健康提供實(shí)時(shí)信息，因此引起了廣泛關(guān)注。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由上海交通大學(xué)、華東師范大學(xué)和以色列理工學(xué)院（Technion-Israel Institute of Technology）組成的科研團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials期刊上發(fā)表了以“AI-Driven Wearable Mask-Inspired Self-Healing Sensor Array for Detection and Identification of Volatile Organic Compounds”為主題的論文。該論文第一作者為Mingrui Chen，通訊作者為Ning Tang、Hossam Haick、Daxiang Cui和Min Zhang。

這項(xiàng)研究提出了一種人工智能（AI）驅(qū)動(dòng)的可穿戴面罩式自修復(fù)傳感器陣列（MISSA），該陣列利用簡(jiǎn)化的單步堆疊技術(shù)制備，可用于VOC氣體的檢測(cè)和識(shí)別（如圖1）。這款可穿戴MISSA由三個(gè)垂直放置的可呼吸自修復(fù)氣體傳感器（BSGS）構(gòu)成，具有線性響應(yīng)、一致的可重復(fù)性以及可靠的自修復(fù)能力等特點(diǎn)。

圖1 MISSA制備及其用于VOC氣體分析和鑒定的概念圖示

首先，研究人員闡述了基于HDIM（一種用于VOC檢測(cè)的自修復(fù)元件）的BSGS的制備過(guò)程。圖2a展示了HDIM的合成結(jié)構(gòu)，其中MXene作為導(dǎo)電材料均勻地分散在自修復(fù)預(yù)聚物中。對(duì)該器件的傅立葉變換紅外光譜（FTIR spectrum）和X射線光電子能譜（XPS）檢測(cè)，以及HDIM的XRD譜圖測(cè)試如圖2b至圖2d所示。

圖2 基于HDIM的BSGS的制備

其次，研究人員對(duì)BSGS的VOC氣體傳感性能進(jìn)行了檢測(cè)。當(dāng)乙醇濃度在0.2 ppm至50 ppm之間時(shí)，BSGS在室溫下的動(dòng)態(tài)傳感結(jié)果如圖3a所示。圖3b顯示了BSGS對(duì)相同濃度乙醇響應(yīng)的高可靠性。除乙醇外，研究人員還評(píng)估了BSGS對(duì)其他三種不同VOC氣體的實(shí)時(shí)響應(yīng)（如圖3d），并發(fā)現(xiàn)其出色的可重復(fù)性。

圖3 BSGS的VOC氣體傳感性能

傳感器在可穿戴應(yīng)用中容易受到外力影響，這可能導(dǎo)致傳感器的受損或斷裂。因此，為了提高這些設(shè)備的壽命和可靠性，傳感器具備自我修復(fù)功能至關(guān)重要。研究人員對(duì)特殊處理后的BSGS的自修復(fù)能力和VOC氣體傳感特性進(jìn)行了測(cè)試，如圖4所示。

圖4 特殊處理后的BSGS自修復(fù)能力及VOC氣體傳感性能

隨后，研究人員利用面罩的氣體過(guò)濾效果以及堆疊設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，制造出名為MISSA的獨(dú)特自修復(fù)傳感器陣列，以便獲取更多信息并簡(jiǎn)化不同VOC氣體的檢測(cè)。如圖5a所示，MISSA的制造方法是將三個(gè)相同形狀和尺寸的BSGS單元垂直排列，并用帶條將其緊緊包裹，從而產(chǎn)生分層效果（layered effect）。如圖5d所示，將基于MISSA的電子系統(tǒng)置于乙醇?xì)怏w中時(shí)，智能手機(jī)顯示了三幅與MISSA三層結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)圖。由此可見(jiàn)，該兼容智能手機(jī)的VOC氣體傳感系統(tǒng)將MISSA與便攜式電路相結(jié)合，具備卓越的傳感性能，并有潛力應(yīng)用于可穿戴VOC氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備。

圖5 利用MISSA識(shí)別VOC氣體

最后，研究人員利用MISSA完成了對(duì)多種VOC氣體的分析與鑒定。研究人員通過(guò)MISSA獲取了四種氣體在濃度分別為0.2 ppm、5 ppm和10 ppm時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，利用根據(jù)氣體類型和濃度標(biāo)記的擬合參數(shù)，提取出12個(gè)準(zhǔn)確反映不同氣體各自響應(yīng)曲線的鮮明特征。利用MISSA對(duì)多種VOC氣體的分析與鑒定過(guò)程和測(cè)試結(jié)果如圖6所示，識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)99.77%。

圖6 利用MISSA對(duì)VOC氣體的分析和鑒定

綜上所述，這項(xiàng)研究利用高效的單步堆疊技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造了一種可識(shí)別VOC氣體的新型MISSA。MISSA由三層BSGS構(gòu)成，每層器件均通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)將可自修復(fù)的HDIM涂覆于聚氨酯靜電紡絲膜制備而成。測(cè)試結(jié)果表明，BSGS的檢測(cè)限低至0.04 ppm，檢測(cè)范圍為0.2 ppm ~ 50 ppm，性能穩(wěn)定且具有可靠的自修復(fù)能力。此外，在智能手機(jī)等便攜式設(shè)備中將MISSA與柔性印刷電路板（FPCB）配對(duì)，可便捷應(yīng)用于可穿戴VOC氣體監(jiān)測(cè)。混合主成分分析（PCA）輔助的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）展示了不同VOC氣體的決策邊界的區(qū)分，VOC氣體識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)99.77%。鑒于其顯著特性，MISSA被認(rèn)為是一種頗具前景的VOC氣體檢測(cè)工具，有望成為用于個(gè)人健康監(jiān)測(cè)場(chǎng)景的可靠且精確的長(zhǎng)期日常檢測(cè)工具。

審核編輯：彭菁