《Nature Communications》：Bioinspired flexible sensing-processing-visualizing integrated system towards tactile-visual signal recognition
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本文针对柔性物联网设备中传感、处理与反馈单元分立架构导致的能效低下与界面失配问题，报道了一种受生物感官系统启发的、基于MXene的柔性双模传感-处理-可视化集成系统（FSPVS）。该系统通过功能化MXene层级平台，将压电纳米发电机（机械传感）、光电突触（视觉处理）与变色量子点发光二极管（光学反馈）集成于单一可穿戴设备，实现了触觉-视觉信号识别、环境自适应仿生自保护行为、动态轨迹识别及运动空间定位等功能，为下一代可穿戴神经形态硬件、边缘计算及智能人机交互提供了有前景的解决方案。
随着柔性物联网（IoT）设备和多感官人机交互应用的迅猛发展，对能够以智能且高能效方式处理多模态数据并给出反馈的先进系统需求日益迫切。然而，传统的冯·诺依曼架构将多模态传感单元与计算单元物理分离，面临着数据传输效率、能耗、通信带宽和灵活性方面的巨大挑战。这就像试图用一堆各自为政、接口不兼容的独立部件去组装一个精密的智能机器人，其效率低下和协调困难可想而知。
自然界经过数百万年进化形成的生物感官系统，为解决这一难题提供了绝佳的蓝图。例如，人类的触觉和视觉感知依赖于高度物理集成的“一体式”架构，其中共享的柔性细胞膜不仅提供了出色的机械界面匹配，还实现了高效的离子-电子信号传递，从而协调完成感知、处理和反馈的整个流程。受此启发，研究人员开始致力于模仿这种高度集成的生物系统，但现有的方法大多依赖于不同组件之间的串行连接，在复杂的系统设计和可穿戴设备的灵活性方面仍存在局限。因此，如何实现触觉和视觉传感模态及其相应的处理与反馈系统的集成，并确保不同功能单元之间在机械和电气界面上的匹配，成为一个关键的科学挑战。
在此背景下，发表在《Nature Communications》上的这项研究，提出了一种材料-架构-功能协同设计的策略，成功构建了一个仿生柔性传感-处理-可视化集成系统（FSPVS）。该研究的核心创新在于充分利用了二维材料MXene（Ti3C2Tx）的优异特性——高导电性（>25000 S cm-1）、卓越的机械柔韧性、丰富的可调物理化学性质以及溶液可加工性。通过精细调控MXene的尺寸和表面状态，使其在系统中扮演多重角色：既是共享的高效导电平台，又是触觉传感增强材料、视觉传感与突触材料，以及优化的电荷注入层。
具体而言，研究人员通过一个设计好的单一合成及后处理流程，获得了大尺寸MXene（L-MXene）、中等尺寸MXene（M-MXene）和氧化小尺寸MXene（OSMX）。L-MXene作为共享的柔性透明导电平台，类似于生物系统中共享的细胞膜。M-MXene因其丰富的表面-OH终止基团，可作为添加剂用于MXene双功能压电纳米发电机（PENG），通过氢键作用与P(VDF-TrFE)聚合物基质中的C-F偶极子相互作用，实现界面极化锁定，从而增强压电输出。OSMX则用于构建人工光电突触（AOS），利用其光响应性和缺陷介导的电荷俘获特性来实现突触电导调制。最后，将变色量子点发光二极管（CS-QLED）集成在同一L-MXene平台上，作为光学反馈单元。整个FSPVS实现了在单一可穿戴平台上，通过电子传导（发生在L-MXene上）连接机械传感（PENG）、视觉处理（AOS）和光学反馈（CS-QLED）的功能集成。
为开展此项研究，作者团队主要应用了以下几项关键技术方法：采用最小强度层离法（MILD）结合机械剥离和离心分离技术制备不同尺寸和表面功能的MXene（L-MXene, M-MXene, OSMX）；通过溶液加工法（如滴涂、旋涂）并结合热处理工艺，在柔性PET基底上依次构建MXene双功能PENG（含M-MXene添加剂和L-MXene电极）、OSMX基AOS（结构为L-MXene/ZnO NCs/OSMX-PMMA/ZnO NCs/Al）和CS-QLED（结构为L-MXene/PEDOT:PSS/TFB/R-G QDs/ZnO NCs/Al）；利用电学测试平台（如源表、示波器）和光学表征手段（如紫外光源、辐射色度计）对器件的压电输出、突触塑性、电致发光特性进行系统评估；并基于器件的响应特性，构建了用于动态信息识别和处理的储层计算（RC）模型。
MXene双功能PENG的特性
研究人员首先详细表征了MXene双功能PENG的性能。其工作机制在于：初始状态下，M-MXene与P(VDF-TrFE)基质之间的界面极化使复合材料内的电偶极子呈现相对均匀的取向；当受到压缩时，自极化效应与变形偶极子的形成共同作用，在薄膜表面产生极化电荷，从而建立压电电位，驱动外部自由电荷迁移以平衡该电位。研究发现，当使用合适片层尺寸的M-MXene（0.5 wt%为最佳含量）作为添加剂时，PENG表现出最高的压电输出，这归因于有效的界面极化增强和泄漏电流的最小化。该PENG的短路电流在1.5 N至13 N的压力范围内呈线性增加（灵敏度为0.419 ± 0.015 μA N-1），且基于L-MXene电极的器件显示出更高的电荷收集效率和优异的机械耐久性（超过9900次循环稳定性测试）。COMSOL Multiphysics有限元分析模拟结果进一步支持了实验结论。这些特性使其能够准确地将压力信号转换为电信号。
OSMX基AOS的突触特性
视觉传感和突触功能是通过在共享的L-MXene导电层上集成OSMX基AOS实现的。为了赋予AOS光感知能力和电荷俘获能力，研究人员对通过超声破碎废弃多层MXene得到的S-MXene进行了可控氧化和表面功能化（用n-十二烷基膦酸，DDPA）处理。制备的AOS器件在电脉冲（模拟神经突触前脉冲）刺激下，表现出连续的导电态调制行为，符合空间电荷限制电流（SCLC）机制。通过调节电脉冲的幅度和数量，可以精确调控器件电导（突触权重）。特别值得注意的是，PENG产生的压电脉冲可以直接用于调制AOS的导电状态，无需外部脉冲电源。在光学刺激方面，AOS对紫外光（365 nm）表现出明显的响应，其兴奋性突触后电流（EPSC）受光照时间、脉冲数和光强调控，并表现出光诱导的配对脉冲易化（PPF）行为，其时间常数（T1=0.241s, T2=3.059s）与生物突触特征相符。单个电脉冲刺激下的能耗低至1.094 pJ，展现了高能效特性。此外，AOS在弯曲条件下（曲率半径小至3 mm）仍能保持稳定的性能。
用于环境自适应应用的可视化双模传感
感官反馈功能是通过在共享的L-MXene导电层上集成CS-QLED实现的。L-MXene的功函数（~4.9 eV）与常用的空穴注入层PEDOT:PSS（~5.1 eV）匹配良好，有利于高效电荷注入。CS-QLED在不同驱动电压下（2.8~7.4 V）可实现从红光（~632 nm）到绿光（~543 nm）的发射颜色变化，并展现出良好的机械柔韧性。受章鱼皮肤能根据外界刺激（如压力或光）快速变色的启发，研究人员构建了一个仿生触觉-视觉-光学反馈神经网络系统。当压力和光刺激同时作用于系统时，光子激发和压电调节协同增强AOS的导电性，导致其电阻减小，进而产生增大的驱动电压，引发CS-QLED的发光颜色变化。实验表明，随着压力或光刺激强度的增加，CS-QLED的发光可从红光（非防御模式）变为黄光（环境监测模式），最终变为绿光（警报模式），直观地反映了有害刺激的严重程度。
多模信息感知与识别
为了展示集成系统的优势，研究人员进行了多模态图像识别和动态信息感知实验。在多模态Fashion-MNIST图像识别任务中，采用混合输入的“EEOO”模式（两个电脉冲后接两个光脉冲）来处理部分被遮挡的图像，实现了91%的分类准确率。在一个简化的羽毛球运动场景中，FSPVS被佩戴于用户手腕，用于识别四种基本击球类型（正手重击、正手轻击、反手重击、反手轻击）和八种不同的球拍摆动轨迹。同时，通过两个光电探测器（PD）捕获CS-QLED发出的光信号，实现了运动的空间定位，平均定位误差仅为0.0048，显示了其在人机交互多模态识别中的巨大潜力。
该研究成功引入了一种基于材料-架构-功能协同设计策略的仿生柔性传感-处理-可视化集成系统。通过功能定制的MXene，该系统在共享的柔性平台上统一了压电纳米发电机的机械传感、人工光电突触的视觉传感与处理以及变色量子点发光二极管的光学反馈。该系统能够智能集成触觉和视觉信号处理，通过模拟仿生自保护行为展示环境自适应能力，在多模态图像识别和动态信息感知方面表现出色。这项工作凸显了MXene在仿生功能集成柔性电子领域的潜力，为发展智能可穿戴设备和多感官人机交互指明了一条可行的路径。
