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Nat. Commun.：清華曲良體、程虎虎團(tuán)隊(duì)在機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)的石墨烯水誘導(dǎo)發(fā)電及功能應(yīng)用上取得進(jìn)展
來(lái)源：清華大學(xué) 2022-11-16
導(dǎo)讀：近日，清華大學(xué)化學(xué)系曲良體教授、程虎虎博士及團(tuán)隊(duì)成員利用旋轉(zhuǎn)冷凍工藝，制備了具有長(zhǎng)程有序二維通道結(jié)構(gòu)的石墨烯水誘導(dǎo)發(fā)電機(jī)（2D-WEG），將大規(guī)模二維孔道有序集成，通過(guò)與水相互作用直接產(chǎn)生電能。
地球上的海洋、江河、空氣中含有巨大且豐富的水資源。近年來(lái)，利用水資源與納米材料相互作用產(chǎn)生電能的研究受到廣泛關(guān)注，所構(gòu)建的水誘導(dǎo)發(fā)電機(jī)（Water-enabled Electricity Generation, WEG）或者水伏器件是一種新型的清潔能源材料技術(shù)，有望助力人類(lèi)社會(huì)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展。然而，水與納米材料相互作用產(chǎn)生電能過(guò)程受到納米級(jí)通道結(jié)構(gòu)、規(guī)模集成度、多重材料參數(shù)等的耦合影響，使得開(kāi)發(fā)高性能的水誘導(dǎo)發(fā)電機(jī)非常困難。近日，清華大學(xué)化學(xué)系曲良體教授、程虎虎博士及團(tuán)隊(duì)成員利用旋轉(zhuǎn)冷凍工藝，制備了具有長(zhǎng)程有序二維通道結(jié)構(gòu)的石墨烯水誘導(dǎo)發(fā)電機(jī)（2D-WEG），將大規(guī)模二維孔道有序集成，通過(guò)與水相互作用直接產(chǎn)生電能。同時(shí)，基于WEG發(fā)電器件的發(fā)電原理與流動(dòng)電勢(shì)的相似性，研究者開(kāi)發(fā)了基于遷移學(xué)習(xí)技術(shù)的性能優(yōu)化框架，其能夠使用小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和大規(guī)模的流動(dòng)電勢(shì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并利用差分進(jìn)化算法實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)的耦合優(yōu)化。相比傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，遷移學(xué)習(xí)模型能夠在小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。最終，通過(guò)遷移學(xué)習(xí)技術(shù)的多參數(shù)耦合優(yōu)化模型和試驗(yàn)結(jié)合，構(gòu)建了一系列具有不同發(fā)電行為的高性能水誘導(dǎo)發(fā)電機(jī)WEG，實(shí)現(xiàn)了水誘導(dǎo)發(fā)電機(jī)的定制化開(kāi)發(fā)。此外，所開(kāi)發(fā)2D-WEG器件優(yōu)異的力學(xué)性能使得其在不同的拉伸和彎曲變形下均能保持性能穩(wěn)定。研究者還展示了所開(kāi)發(fā)的水流誘導(dǎo)發(fā)電器件驅(qū)動(dòng)LED陣列、科學(xué)計(jì)算器、電子墨水屏等多種商用電子器件的應(yīng)用場(chǎng)景。該研究不僅為高性能的水誘導(dǎo)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供了新的路徑，所構(gòu)建的遷移學(xué)習(xí)優(yōu)化框架也降低了機(jī)器學(xué)習(xí)方法在訓(xùn)練數(shù)據(jù)不足的傳統(tǒng)物理、化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的門(mén)檻。相關(guān)成果以“遷移學(xué)習(xí)增強(qiáng)超有序氧化石墨烯納米孔道水誘導(dǎo)發(fā)電”（Transfer learning enhanced water-enabled electricity generation in highly oriented graphene oxide nanochannels）在《自然·通訊》（Nature Communnications）發(fā)表。
2D-WEG石墨烯水誘導(dǎo)發(fā)電機(jī)研究成果示意及效果圖利用水與功能材料相互作用產(chǎn)生電能研究還被用于開(kāi)發(fā)多種先進(jìn)功能器件。例如，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)石墨烯薄膜，能夠吸收空氣中的水分形成穩(wěn)定電勢(shì)，構(gòu)建了一種濕氣發(fā)電（Moisture-enabled Electricity Generation, MEG）薄膜，能夠?qū)囟?、濕度、壓力、光照等多種環(huán)境刺激產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)解析和薄膜器件構(gòu)筑，開(kāi)發(fā)了MEG自供電單組份實(shí)時(shí)多模態(tài)傳感。基于此開(kāi)發(fā)的MEG多功能手環(huán)，能夠根據(jù)手腕處的壓力變化情況，來(lái)識(shí)別多種操作手勢(shì)和常用的手語(yǔ)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了自供能的人機(jī)交互。同時(shí)，其可以同步監(jiān)測(cè)人體的脈搏、體溫和皮膚濕度變化情況，并對(duì)多種心臟類(lèi)疾病進(jìn)行識(shí)別和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了使用單一MEG器件來(lái)進(jìn)行多指標(biāo)的人體健康檢測(cè)。
濕氣發(fā)電薄膜自供電單組份實(shí)時(shí)多模態(tài)傳感上述成果通訊作者為清華大學(xué)化學(xué)系曲良體教授和程虎虎博士，楊策博士為第一作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)佛山先進(jìn)制造研究院、國(guó)強(qiáng)研究院項(xiàng)目的資助，同時(shí)得到清華大學(xué)有機(jī)光電子與分子工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、高端裝備界面科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的支持。參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/99860.htm
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