科研團隊提出一種人工智能（AI）驅動的可穿戴面罩式自修復傳感器陣列

揮發性有機化合物（VOC）傳感器陣列有望為監測環境中VOC的污染水平和個人健康提供實時信息，因此引起了廣泛關注。

據麥姆斯咨詢報道，近日，由上海交通大學、華東師范大學和以色列理工學院（Technion-Israel Institute of Technology）組成的科研團隊在Advanced Functional Materials期刊上發表了以“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。

這項研究提出了一種人工智能（AI）驅動的可穿戴面罩式自修復傳感器陣列（MISSA），該陣列利用簡化的單步堆疊技術制備，可用于VOC氣體的檢測和識別（如圖1）。這款可穿戴MISSA由三個垂直放置的可呼吸自修復氣體傳感器（BSGS）構成，具有線性響應、一致的可重復性以及可靠的自修復能力等特點。

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檢測的自修復元件）的BSGS的制備過程。圖2a展示了HDIM的合成結構，其中MXene作為導電材料均勻地分散在自修復預聚物中。對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，以及HDIM的XRD譜圖測試如圖2b至圖2d所示。

圖2 基于HDIM的BSGS的制備

其次，研究人員對BSGS的VOC氣體傳感性能進行了檢測。當乙醇濃度在0.2 ppm至50 ppm之間時，BSGS在室溫下的動態傳感結果如圖3a所示。圖3b顯示了BSGS對相同濃度乙醇響應的高可靠性。除乙醇外，研究人員還評估了BSGS對其他三種不同VOC氣體的實時響應（如圖3d），并發現其出色的可重復性。

圖3 BSGS的VOC氣體傳感性能

傳感器在可穿戴應用中容易受到外力影響，這可能導致傳感器的受損或斷裂。因此，為了提高這些設備的壽命和可靠性，傳感器具備自我修復功能至關重要。研究人員對特殊處理后的BSGS的自修復能力和VOC氣體傳感特性進行了測試，如圖4所示。

圖4 特殊處理后的BSGS自修復能力及VOC氣體傳感性能

隨后，研究人員利用面罩的氣體過濾效果以及堆疊設計的優勢，制造出名為MISSA的獨特自修復傳感器陣列，以便獲取更多信息并簡化不同VOC氣體的檢測。如圖5a所示，MISSA的制造方法是將三個相同形狀和尺寸的BSGS單元垂直排列，并用帶條將其緊緊包裹，從而產生分層效果（layered effect）。如圖5d所示，將基于MISSA的電子系統置于乙醇氣體中時，智能手機顯示了三幅與MISSA三層結構相對應的實時響應圖。由此可見，該兼容智能手機的VOC氣體傳感系統將MISSA與便攜式電路相結合，具備卓越的傳感性能，并有潛力應用于可穿戴VOC氣體監測設備。

圖5 利用MISSA識別VOC氣體

最后，研究人員利用MISSA完成了對多種VOC氣體的分析與鑒定。研究人員通過MISSA獲取了四種氣體在濃度分別為0.2 ppm、5 ppm和10 ppm時的動態響應曲線，利用根據氣體類型和濃度標記的擬合參數，提取出12個準確反映不同氣體各自響應曲線的鮮明特征。利用MISSA對多種VOC氣體的分析與鑒定過程和測試結果如圖6所示，識別準確率高達99.77%。

圖6 利用MISSA對VOC氣體的分析和鑒定

綜上所述，這項研究利用高效的單步堆疊技術，設計并制造了一種可識別VOC氣體的新型MISSA。MISSA由三層BSGS構成，每層器件均通過絲網印刷技術將可自修復的HDIM涂覆于聚氨酯靜電紡絲膜制備而成。測試結果表明，BSGS的檢測限低至0.04 ppm，檢測范圍為0.2 ppm ~ 50 ppm，性能穩定且具有可靠的自修復能力。此外，在智能手機等便攜式設備中將MISSA與柔性印刷電路板（FPCB）配對，可便捷應用于可穿戴VOC氣體監測?；旌现鞒煞址治觯≒CA）輔助的機器學習（ML）展示了不同VOC氣體的決策邊界的區分，VOC氣體識別準確率高達99.77%。鑒于其顯著特性，MISSA被認為是一種頗具前景的VOC氣體檢測工具，有望成為用于個人健康監測場景的可靠且精確的長期日常檢測工具。

審核編輯：彭菁