用于挥发性有机化合物信号传输和仿生分子通信的聚合物功能化碳纳米管传感器

《ACS Sensors》：Polymer-Functionalized Carbon Nanotube Sensors for Volatile Organic Compound Signal Exchange and Bioinspired Molecular Communication

生物启发式分子通信系统通过时空关联的单壁碳纳米管传感器阵列实现低功耗VOC信号传输，采用分层功能化纳米管传感器与可降解聚合物增强选择性检测，结合机器学习算法解码多比特信息，突破传统电磁通信的能耗与干扰限制，适用于环境监测、工业安全及复杂场景实时通信。

　　

传统的电磁通信系统在密集环境中存在诸多限制，如高能耗、信号衰减和干扰等问题。为克服这些挑战，我们提出了一种基于生物启发的分子通信（MC）平台，该平台利用时空耦合的单壁碳纳米管（SWCNT）传感器来实现挥发性有机化合物（VOC）的信号传输。该系统借鉴了自然界中的化学信号传递机制，采用分层功能化的SWCNT传感器阵列来高精度地检测和解析预设的数据信号，模拟了信息素在生物通信中的作用。传感器采用疏水性和可生物降解的聚合物修饰的SWCNT，结合纳米多孔纤维素纸，从而提升了对VOC的选择性和响应速度，实现了空间和时间上的信号编码，从而实现可靠的多比特数据传输。集成机器学习（ML）算法有助于信号解码、模式识别和环境适应，确保在各种条件下都能进行稳定通信。这种分层传感器架构和选择性的VOC相互作用使其在气体检测、环境监测、工业安全以及难以到达区域的实时通信等领域具有广泛应用潜力。层状传感器网络中对VOC混合物的色谱检测进一步增强了数据传输能力，为传统方法提供了一种可扩展、低能耗的替代方案。本研究推动了生物启发式分子通信技术的发展，将纳米材料与时空感知技术相结合，为实现下一代低功耗、高保真度的通信奠定了基础。