控制科學(xué)與工程學(xué)院張冬至教授團隊在智能比色傳感技術(shù)領(lǐng)域取得系列進展。相關(guān)成果先后發(fā)表在Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、npj Flexible Electronics等專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)國際權(quán)威期刊上。該系列工作得到國家自然科學(xué)基金項目、山東省泰山學(xué)者人才項目以及山東省海外優(yōu)青等項目資助。

比色傳感技術(shù)通過將氣體、生物標記物濃度等化學(xué)信號以及材料應(yīng)變等物理信號轉(zhuǎn)化為顏色信號實現(xiàn)可視化檢測，具有特異選擇性高、器件無線無源、智能終端分析便捷等優(yōu)勢。然而，比色傳感器普遍存在可逆性差、定性檢測誤差大、現(xiàn)場即采即檢困難等瓶頸問題，嚴重阻礙了比色傳感器在復(fù)雜環(huán)境中對目標信號的實時快速精準檢測，亟待解決與突破。針對上述比色傳感技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問題，張冬至教授團隊研發(fā)了深度學(xué)習(xí)算法輔助有毒有害氣體超快檢測比色傳感技術(shù)、柔性無線無源可穿戴力致發(fā)光比色可視化傳感技術(shù)，以及體液多組分標記物同步快速檢測比色傳感技術(shù)，推動了智能比色傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)安全、民生健康等領(lǐng)域的應(yīng)用。

針對危化氣體比色傳感器恢復(fù)困難可逆性差、受濕度影響大的難題，團隊研發(fā)了多模態(tài)深度學(xué)習(xí)算法輔助有毒有害氣體超快檢測比色傳感技術(shù)，提出一種基于螯合反應(yīng)的復(fù)合水凝膠比色傳感器，實現(xiàn)了硫化氫氣體的超快超低限檢測，突破了比色型氣體傳感器在可逆性和耐濕性方面的瓶頸，同時構(gòu)建了多模態(tài)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對傳感器色彩數(shù)據(jù)智能解析，實現(xiàn)了即拍即測和定量精準高效檢測，推動了智能比色氣體傳感器在呼出氣疾病診斷、危化氣體泄漏監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)成果《Pb²⁺transfer-enabled recoverable hydrogel-based H₂S colorimetric sensing with assistance of multimodal deep learning for multifunctional applications》(《多模態(tài)深度學(xué)習(xí)輔助的Pb²⁺轉(zhuǎn)移使能可恢復(fù)水凝膠基多功能H₂S比色傳感器》)發(fā)表在材料科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》。論文第一作者為控制科學(xué)與工程學(xué)院2023級碩士生陳雅婧，通訊作者為張冬至教授。

針對柔性可穿戴應(yīng)變傳感器通過復(fù)雜布線與設(shè)備相連實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致高功耗、信號讀取延遲、現(xiàn)場檢測解析困難等問題，團隊研發(fā)了柔性無線無源可穿戴力致發(fā)光比色可視化傳感技術(shù)，提出一種人工智能輔助的無線、柔性、可穿戴的力致發(fā)光比色應(yīng)變傳感器系統(tǒng)。通過構(gòu)建三明治結(jié)構(gòu)柔性可穿戴力致發(fā)光薄膜傳感器與基于輕量級卷積循環(huán)深度學(xué)習(xí)算法的色彩數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)深度集成，實現(xiàn)了力致發(fā)光應(yīng)變傳感薄膜顏色的快速提取、解析和自動校正，拓展了可穿戴應(yīng)變傳感器在運動監(jiān)測、姿態(tài)識別等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。相關(guān)成果“An artificial intelligenceassisted flexible and wearable mechanoluminescent strain sensor system” (《人工智能輔助的柔性可穿戴力致發(fā)光比色應(yīng)變傳感器系統(tǒng)》)發(fā)表于微納米技術(shù)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Nano-Micro Letters》。論文第一作者為控制科學(xué)與工程學(xué)院董炎副教授，通訊作者為張冬至教授與董炎副教授。

針對可穿戴體液比色傳感器受環(huán)境多因素影響導(dǎo)致精度低、多目標同時檢測干擾導(dǎo)致解析困難等問題，團隊研發(fā)了體液多組分標記物同步快速檢測比色傳感技術(shù)，提出了一種人工智能輔助的可穿戴微流控比色傳感器系統(tǒng)，構(gòu)建了用于眼淚收集和比色反應(yīng)的柔性微流控貼片以及機器學(xué)習(xí)多通道色彩數(shù)據(jù)解析校正系統(tǒng)，實現(xiàn)了對淚液中維生素C、pH、鈣離子和蛋白質(zhì)的快速無創(chuàng)同步檢測，突破了可穿戴體液傳感器顏色數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場快速精確解析的瓶頸，促進了可穿戴體液比色傳感器在健康監(jiān)測、精準醫(yī)療以及遠程診療領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)成果“An artificial intelligence-assisted microfluidic colorimetric wearable sensor system for monitoring of key tear biomarkers” (《人工智能輔助的可穿戴微流控比色傳感器用于淚液關(guān)鍵生物標志物監(jiān)測》)發(fā)表在柔性電子技術(shù)領(lǐng)域權(quán)威期刊《npj Flexible Electronics》。控制科學(xué)與工程學(xué)院碩士生王子虎與董炎副教授為論文共同第一作者，張冬至教授與董炎副教授為共同通訊作者。

張冬至教授團隊長期致力于微納傳感技術(shù)與微系統(tǒng)、柔性電子技術(shù)與智能感知、多參量傳感與融合感知技術(shù)、電子信息技術(shù)與儀器等方面的研究。近年來，團隊先后承擔國家重點研發(fā)計劃項目課題、國家自然科學(xué)基金項目、山東省重點研發(fā)計劃項目等30余項，在Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano-Micro Letters、Nano Energy等國際權(quán)威期刊發(fā)表SCI論文200余篇，論文引用1.7萬余次，H因子74，連續(xù)三年入選全球前2%頂尖科學(xué)家，連續(xù)兩年入選全球高被引科學(xué)家，授權(quán)國家發(fā)明專利30余項。榮獲中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會科技進步一等獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科技進步獎一等獎、山東省自然科學(xué)獎二等獎、日內(nèi)瓦國際發(fā)明展特別嘉許金獎等多項科技獎勵，指導(dǎo)大學(xué)生中國國際創(chuàng)新大賽獲國家金獎2項。

論文鏈接：

1.https://doi.org/10.1002/adfm.202409017

2.https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-024-01572-5

3.https://www.nature.com/articles/s41528-024-00321-3