【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院/光電學(xué)院李家方教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種融合機(jī)器學(xué)習(xí)與納米剪紙加工技術(shù)的創(chuàng)新研究思路，成功開(kāi)發(fā)出一種具備力學(xué)超彈性和振動(dòng)可分辨的人工微網(wǎng)。本工作通過(guò)將遺傳算法與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合，突破了傳統(tǒng)仿生蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)彈性局限，并探索了其在超靈敏質(zhì)量傳感和振動(dòng)信息加密方面的應(yīng)用潛力，為微納機(jī)械傳感、微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)、機(jī)械超材料、生物操控和信息加密等領(lǐng)域的研究提供了新的思路。該創(chuàng)新成果于近期發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)刊物Advanced Materials(IF: 26.8)上。
 

　　“師法自然”的研究理念已逐步發(fā)展成為極具創(chuàng)造力的跨學(xué)科交叉研究范式，并顯著賦能了結(jié)構(gòu)工程、力/光學(xué)超材料及微操縱技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展。其中，微納尺度的仿生蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為一個(gè)重要的實(shí)踐范例，已在超靈敏力學(xué)傳感器、可拉伸器件及機(jī)械諧振器等領(lǐng)域展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用潛力。然而，目前絕大多數(shù)的人工仿生蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍存在力學(xué)彈性較弱的問(wèn)題，這一缺陷限制了其在某些領(lǐng)域的力學(xué)性能發(fā)揮與多功能應(yīng)用能力，尤其在微納尺度應(yīng)用場(chǎng)景中，精準(zhǔn)制備并自由操控高機(jī)械彈性、形貌變換可控的仿生蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得極具挑戰(zhàn)性。因此，尋求有效設(shè)計(jì)方案并實(shí)現(xiàn)微納尺度高彈性蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的制備，對(duì)于開(kāi)發(fā)基于仿生學(xué)的高精度力學(xué)微傳感器以及動(dòng)態(tài)微機(jī)械器件至關(guān)重要。
 

圖1. 結(jié)合遺傳算法與深度學(xué)習(xí)的超彈性微網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖。
 

　　為解決上述難題，北理工團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化設(shè)計(jì)與納米剪紙加工技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種微納尺度下的超彈性人工微網(wǎng)結(jié)構(gòu)。首先，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“遺傳算法+深度學(xué)習(xí)”的雙優(yōu)化框架，通過(guò)遺傳算法模擬生物進(jìn)化過(guò)程實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化，并利用深度學(xué)習(xí)模型替代傳統(tǒng)繁瑣的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)源獲取方案，大幅提升了優(yōu)化設(shè)計(jì)效率(圖1)。在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)上，采用團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的納米剪紙加工技術(shù)，成功精準(zhǔn)制備出優(yōu)化后的超彈性微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)借助原子力顯微鏡(AFM)的精密納米尺度力學(xué)表征手段，開(kāi)展了微結(jié)構(gòu)的力學(xué)剛度表征以及機(jī)械耐久性測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示出該結(jié)構(gòu)具備與設(shè)計(jì)相符的優(yōu)良力學(xué)特性和優(yōu)異的機(jī)械耐久性(圖2)，為探索微網(wǎng)的機(jī)械振動(dòng)性能及應(yīng)用提供了良好條件。
 

圖2. 超彈性微網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)制備及力學(xué)特性表征。
 

　　為探究超彈性微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的功能特性及應(yīng)用潛力，團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用激光多普勒測(cè)振儀揭示了微網(wǎng)結(jié)構(gòu)超靈敏的低頻振動(dòng)響應(yīng)能力，并將此特性應(yīng)用在了質(zhì)量傳感及信息加密兩個(gè)方面。在超靈敏微小質(zhì)量傳感方面，超彈性微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如同“微型蹦床”一般可以“裝載”微小物體(如圖3所示)。當(dāng)微小物體放置于微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的中心圓盤區(qū)域時(shí)，其結(jié)構(gòu)共振頻率則會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性偏移，通過(guò)建立頻率偏移量與質(zhì)量變化的關(guān)系模型，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小物體的質(zhì)量傳感監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該傳感平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)皮克級(jí)(pg)微小物體的質(zhì)量傳感，靈敏度高達(dá)-0.801 kHz/pg。值得一提的是，該微網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸僅為20微米左右(頭發(fā)絲直徑的四分之一)，因此，利用電子束曝光等相關(guān)制備工藝可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列集成，有望進(jìn)一步發(fā)展大陣列微型質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)及其生物傳感應(yīng)用技術(shù)。
 

圖3. 基于超彈性微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的超靈敏微小物體質(zhì)量傳感。
 

　　此外，在信息加密應(yīng)用方面，研究團(tuán)隊(duì)基于微網(wǎng)振動(dòng)“結(jié)構(gòu)參數(shù)-力學(xué)剛度-共振響應(yīng)”之間的映射規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了優(yōu)化前后微網(wǎng)結(jié)構(gòu)剛度差異引起的共振特性(包括振幅和相位)變化等規(guī)律?；谠撘?guī)律，通過(guò)巧妙地將多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)和組合，實(shí)現(xiàn)了“特定振動(dòng)”選擇性激發(fā)“特定信息顯示”的信息加密策略(如圖4所示)。相比于傳統(tǒng)光學(xué)加密對(duì)光學(xué)強(qiáng)度信息的依賴，這種基于微網(wǎng)振動(dòng)可分辨的新型信息加密方案為MEMS兼容的多維信息安全策略研究提供了一種新的技術(shù)途徑。
 

圖4. 基于微網(wǎng)陣列的振動(dòng)信息加密概念驗(yàn)證及演示。
 

　　綜上所述，本工作將機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化設(shè)計(jì)與納米剪紙加工工藝有機(jī)結(jié)合，精準(zhǔn)構(gòu)筑了超彈性且振動(dòng)可分辨的人工微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了皮克量級(jí)下的超靈敏微小物體質(zhì)量傳感，探索了多維振動(dòng)可分辨的動(dòng)態(tài)信息加密應(yīng)用，為力學(xué)微納傳感器、MEMS/NEMS諧振器、機(jī)械超材料、生物操作以及信息加密領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展提供了新穎的研究思路和技術(shù)途徑。北理工博士生孫浩哲為論文第一作者，北理工洪孝榮博士(現(xiàn)集成電路與電子學(xué)院特立博士后)和李家方教授為通訊作者。研究團(tuán)隊(duì)感謝北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心、懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置微納加工實(shí)驗(yàn)室(SECUF)等給予的支持與幫助。該交叉學(xué)科研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(基礎(chǔ)科學(xué)中心、國(guó)家杰出青年基金和面上項(xiàng)目)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。