鑽石舞台

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由地震、滑坡、塌方等掩埋事故造成的視覺感知障礙對受困人員的搜索和定位造成阻礙。為了確保最佳救援時機，提升搜救成功率和生還率，依託國家科技創新2030「新一代人工智能」重大項目，針對極端環境無視覺輸入情況下對受困人員的識別與救援需求，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員陶虎團隊受自然界星鼻鼴鼠「觸嗅融合」感知啟發，將MEMS嗅覺、觸覺柔性傳感器陣列與多模態機器學習算法融合，構建了仿星鼻鼴鼠觸嗅一體智能機械手（如圖）。得益於硅基MEMS氣體傳感器（靈敏度超越人類1個數量級）、壓力傳感器（探測限超越人類1個數量級）的優異性能，該機械手手指觸摸物體後可準確獲取其局部微形貌、材質硬度和整體輪廓等關鍵特徵，掌心可同步嗅出物體「指紋」氣味，進一步通過仿生觸嗅聯覺(BOT)機器學習神經網絡實時處理，最終完成識別人體、確認部位、判斷掩埋狀態、移開障礙物、閉環救援。

上海微系統所科研人員與應急管理部上海消防研究所合作，通過到一線消防救援單位實地調研，真實還原構建了人體被瓦礫石堆覆蓋的掩埋場景，在此環境下對包括人體在內的11種典型物體進行識別，觸嗅聯覺識別準確率達96.9%，較單一感覺提升了15%。相較麻省理工學院發表於Nature（DOI：10.1038/s41586-019-1234-z）的單一觸覺（548個傳感器）感知研究，該工作通過觸（70個）、嗅（6個）聯覺，僅使用1/7數量的傳感器，達到了更理想的識別目的，並且縮小後的傳感器規模和樣本量更適合複雜環境、資源有限條件下的快速反應和應用。此外，面對在實際救援中常見的存在干擾氣體或器件部分損壞等情況，通過多模態感知的互補和神經網絡的快速調節，該系統仍保持良好的準確率（>80%）。

相關研究成果以A star-nose-like tactile-olfactory bionic sensing array for robust object recognition in non-visual environments為題，於2022年1月10日發表在Nature Communications上。研究工作得到科技創新2030-重大項目、國家重點研發計劃、國家自然科學基金優秀青年基金、中科院基礎前沿科學研究計劃「從0到1」原始創新項目、上海市優秀學術帶頭人計劃等的支持。

用於應急救援掩埋場景的觸嗅一體仿生智能機械手

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小時候總是覺得好奇：為什麼酒的味道那麼難聞，大人卻總是喜歡喝酒？

長大後才漸漸發現，被我們視為壞習慣的事物，卻是成年人獲取幸福感最有效的方式。

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近日，中國科學技術大學倪勇教授、姚宏斌教授研究團隊從「含內應力貝殼抵抗螳螂蝦擊打」的自然現象受啟發，提出增強仿珍珠層結構抗衝擊性的預應力策略。相關研究成果以 「A Prestressing Strategy Enabled Synergistic Energy-Dissipation in Impact-Resistant Nacre-Like Structures」 為題，於2022年1月13日發表在 《Advanced Science》 上。

貝殼珍珠層利用碳酸鈣和蛋白質等有限低性能組分，構築「磚塊-灰泥」交錯結構形式，可以實現超越其組分上千倍的斷裂韌性提升以及幾十倍的抗衝擊性提升，進而成為先進高性能工程材料設計的模板。「磚塊滑移」是貝殼珍珠層受衝擊時的主要耗能機制，然而大範圍磚塊滑移的實現需要嚴格控制結構尺寸、材料組分性能、界面性質等複雜參數，導致仿珍珠層結構性能提升遠未達到貝殼珍珠層的高效程度。如何簡單、有效地發揮磚塊滑移耗能需要進一步探索。研究發現，貝殼受到螳螂蝦等攻擊時，由於內收肌施加閉合力以及殼內非均質結構特徵，珍珠層內存在顯著的殘餘應力，該殘餘應力的產生與工程複合材料中由於服役載荷、生產工藝等產生的初始內應力相似，該初始內應力作為一種預應力策略被廣泛應用於纖維複合材料、鋼化玻璃、張拉膜、鋼筋混凝土梁等結構，可以抵消外部載荷、促進內部結構變形等，進而提升整體力學性能。受此啟發，我們猜想是否可以利用預應力策略充分發揮磚塊滑移耗能來進一步增強仿珍珠層結構的抗衝擊性。

針對上述問題，研究團隊建立預應力作用下的仿珍珠層結構抗衝擊模型，分析滑移、脫層、裂紋擴展等多種耗能模式間的協同與競爭，揭示了預應力策略和磚塊滑移間的協同耗能效應，發現預拉伸預應力可以促進大範圍磚塊滑移耗能，進而增強珍珠層結構的抗衝擊性。同時，發現存在抗衝擊耗能峰值對應的臨界預應力，起源於預應力促進磚塊滑移提升層間耗能的同時，也會削弱結構完整性降低裂紋擴展耗能，兩者間的競爭妥協機制導致抗衝擊性優化。

圖1.複雜失效過程模擬分析預應力策略對仿珍珠層結構抗衝擊性的影響

進一步， 團隊建立仿珍珠層結構三維數字模型並實現3D打印，同時搭建了預應力下3D打印仿珍珠層結構的落錘測試系統，利用高速攝像在位觀測裂紋擴展過程、X-ray CT重構三維失效形貌，從而證實了預應力策略對磚塊滑移的促進作用以及存在抗衝擊性優化對應的臨界預應力。

圖2.3D打印和預拉伸落錘測試驗證實抗衝擊性優化的臨界預應力

最後，該預應力策略成功地應用於團隊設計的仿珍珠層結構電池隔膜（詳情參見研究團隊先前發表於AdvancedMaterials上的工作https://doi.org/10.1002/adma.201905711），有效地維持了衝擊後隔膜內部的孔結構，從而保證了電池充放電過程中具有均勻的鋰離子流。相對於使用商業陶瓷隔膜和無預應力仿珍珠層隔膜的LiFePO4/Li紐扣電池，採用預應力下衝擊後的仿珍珠層隔膜的紐扣電池表現出較高的比容量和較好的循環穩定性。進一步，我們提出在鋰離子電池的實際生產中，可以通過電池纏繞過程中控制纏繞軸的相對速度，從而將預應力策略有效地應用於我們設計的仿珍珠層結構隔膜中，增強鋰電池的抗衝擊安全性和電化學性能。

圖3.應用預應力策略增強仿珍珠層結構隔膜的電化學性能

該工作「師法自然，超越自然」，可以猜測，預應力策略也適用於螳螂蝦Bouligand結構、海螺殼交錯結構等高性能非均質仿生結構，為充分發揮非均質防生結構的變形耗能機制提供了一種簡單、有效的力學方案，為提升仿生工程結構材料和儲能結構器件的抗衝擊安全性開闢新途徑。

論文的第一作者為中國科學技術大學近代力學系吳開金博士後和應用化學系宋永慧博士，通訊作者為倪勇教授和姚宏斌教授。合作者為中國科學技術大學何陵輝教授、龔興龍教授、鄭志軍副教授。本研究得到國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項、博士後創新人才支持計劃等項目的支持。

來源：高分子科學前沿

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