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  信息化、智能化社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展離不開(kāi)信息安全。當(dāng)前主流的加密芯片與算法如各種不同的防偽碼等已廣泛應(yīng)用，但其工作模式依賴明確的輸入–輸出映射關(guān)系，容易遭受逆向建模與機(jī)器學(xué)習(xí)攻擊，面臨潛在的信息泄露風(fēng)險(xiǎn)。物理不可克隆函數(shù)(Physical unclonable functions, PUF)可通過(guò)挑戰(zhàn)-響應(yīng)機(jī)制從其內(nèi)部隨機(jī)結(jié)構(gòu)變化中產(chǎn)生獨(dú)一無(wú)二的響應(yīng)信號(hào)，挑戰(zhàn)與響應(yīng)間的關(guān)系僅存在于其物理結(jié)構(gòu)中，極難復(fù)制或解密，被認(rèn)為是構(gòu)建新一代安全系統(tǒng)的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有PUF器件的挑戰(zhàn)-響應(yīng)對(duì)(CRP)數(shù)量有限，易被機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)或攻擊，難以兼顧唯一性、不可克隆性與不可預(yù)測(cè)性等信息加密/識(shí)別三大核心需求。

  水凝膠具有獨(dú)特的、不可復(fù)制、不可預(yù)測(cè)的拓?fù)渚酆衔锞W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是PUF的理想材料。但常規(guī)水凝膠多交聯(lián)均勻，內(nèi)部拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的差異難以在宏觀的光學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)上得到表達(dá)，無(wú)法直接用于信息加密。

  近日，北京理工大學(xué)趙飛教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種基于區(qū)域組裝交聯(lián)(Regional Assembly Crosslinking, RAC)策略的新型導(dǎo)電水凝膠(RAC-Gel)，通過(guò)從拓?fù)渚酆衔锞W(wǎng)絡(luò)中獲得宏觀的、不可復(fù)制的電化學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)了兼顧唯一性、不可克隆性與不可預(yù)測(cè)性的信息加密，為構(gòu)建高安全性信息加密器件提供了新的解決方案。

  相關(guān)論文以“Tailoring Topological Network of Conductive Hydrogel for Electrochemically Mediated Encryption”為題發(fā)表在Advanced Materials上，燕宇珂、劉欣悅、劉傳杰博士為論文共同第一作者。

  該材料通過(guò)施加電場(chǎng)誘導(dǎo)聚吡咯/聚苯乙烯磺酸(PPy:PSS)水凝膠體系內(nèi)部發(fā)生相分離，在微觀尺度上形成拓?fù)?/span>網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的離子–電子轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)點(diǎn)矩陣（圖1，圖2），構(gòu)建起離-電協(xié)同傳輸的 “響應(yīng)-刺激”三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。得益于每個(gè)轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)不同的轉(zhuǎn)導(dǎo)時(shí)間，RAC-Gel在脈沖電信號(hào)作用下展現(xiàn)出高度非線性、不可預(yù)測(cè)且不可克隆的電化學(xué)響應(yīng)特性。基于RAC-Gel的單個(gè)加密器件即可生成超過(guò)10¹⁹組挑戰(zhàn)–響應(yīng)對(duì)，大幅超越現(xiàn)有物理不可克隆函數(shù)(PUF)對(duì)強(qiáng)安全性的基本需求(通常為10¹⁰組)。

圖1. 基于水凝膠的物理不可克隆加密單元的概念設(shè)計(jì)示意。

圖2. RAC-gel結(jié)構(gòu)的表征。a) PPy:PSS凝膠及電場(chǎng)誘導(dǎo)的區(qū)域交聯(lián)過(guò)程示意圖。b) RAC-Gel的原子力顯微鏡相位圖像，放大視圖突出了局部相分離特征，虛線標(biāo)示典型的區(qū)域組裝區(qū)域。c) RAC-Gel與均勻交聯(lián)PPy:PSS凝膠的流變特性對(duì)比曲線。d) RAC-Gel與均勻交聯(lián)PPy:PSS凝膠的掠入射廣角X射線散射譜圖。e) PPy:PSS團(tuán)簇在電場(chǎng)誘導(dǎo)相分離前后的微觀結(jié)構(gòu)變化示意圖。

圖3. RAC-Gel的電荷傳輸特性。a) RAC在水凝膠截面中的示意圖。b) 離–電轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)在整個(gè)水凝膠中的擴(kuò)展形成等效的三維串并聯(lián)電阻–電容陣列。c) 電荷傳輸動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)示意圖。d) RAC-Gel與均勻交聯(lián)PPy:PSS水凝膠在10⁵Hz頻率下相對(duì)于原始輸入信號(hào)的波形比較。e) RAC-Gel與均勻PPy:PSS水凝膠的循環(huán)伏安曲線。f) 對(duì)兩種樣品施加10⁵個(gè)半波正弦脈沖后所得波形。g) RAC-Gel與均勻交聯(lián)PPy:PSS水凝膠的頻率下變換輸出信號(hào)。

  RAC-Gel的電荷傳輸行為表現(xiàn)出優(yōu)異的可重復(fù)性與穩(wěn)定性。在重復(fù)輸入相同電信號(hào)的條件下，其輸出波形保持高度一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.999，均方誤差低至2×10??，顯示出良好的信號(hào)一致性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖4. 基于RAC-Gel的物理不可克隆加密單元的加密過(guò)程。a) 基于RAC-Gel器件的實(shí)物照片。b) 輸入方波脈沖列信號(hào)(頻率10?Hz)，脈沖數(shù)從左至右依次為1、5、10、50、100、500、1000、5000、10000、50000和100000。c) 圖案編碼示意圖：3×3像素矩陣編號(hào)為1–9，紅色方格（1、5、9）代表被激活的位置。d) 時(shí)間軸編碼方式：每個(gè)方格對(duì)應(yīng)0.5ms的時(shí)間窗口(w?–w?)。標(biāo)紅的窗口施加持續(xù)0.4ms的方波脈沖，其余窗口保持空白0.5ms。e) 64像素圖案及對(duì)應(yīng)的方波輸入信號(hào)示例。f) RAC-Gel產(chǎn)生的輸出信號(hào)。g) 第一次與第1000次輸出信號(hào)之間的殘差分布。h) 使用仿制RAC-Gel樣品進(jìn)行破解攻擊實(shí)驗(yàn)。i) 仿制器件的輸出信號(hào)相較于真實(shí)信號(hào)存在明顯偏差。j) 破解信號(hào)與真實(shí)信號(hào)的殘差分布比較。

  此外，該材料體系在面對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)攻擊時(shí)表現(xiàn)出出色的抗破解能力。研究表明，無(wú)論是基于線性回歸、多層感知機(jī)(MLP)，還是深度Transformer架構(gòu)的模型，均難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)RAC-Gel的輸出響應(yīng)。這一結(jié)果表明，RAC-Gel的加密性能源自材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征，真正實(shí)現(xiàn)了材料本征加密。

圖5. 基于RAC-Gel的抗機(jī)器學(xué)習(xí)攻擊性能。a) 圖案編碼過(guò)程示意圖，展示了一個(gè)64像素矩陣圖案（上）及其經(jīng)時(shí)間序列編碼后的脈沖輸入信號(hào)（下）。b–d) 采用不同機(jī)器學(xué)習(xí)模型（線性回歸、多層感知機(jī)MLP、Transformer）對(duì)RAC-Gel輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)的結(jié)果。每個(gè)子圖中，上方面板比較了實(shí)際輸出信號(hào)（黑線）與預(yù)測(cè)信號(hào)（紅線），下方面板展示相應(yīng)的殘差分布。b) 線性回歸模型預(yù)測(cè)精度較低，殘差顯著偏離正態(tài)分布。c) MLP模型在一定程度上提升了預(yù)測(cè)精度，但殘差分布仍未達(dá)到理想的正態(tài)形態(tài)。d) Transformer模型進(jìn)一步改善了預(yù)測(cè)性能，但殘差分布依舊呈雙峰特征，未能滿足正態(tài)分布要求。

  綜上所述，本研究開(kāi)發(fā)一種具備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可調(diào)控性、傳輸響應(yīng)非線性、自適應(yīng)輸入調(diào)控能力的新型導(dǎo)電水凝膠材料體系，驗(yàn)證了其在高安全度的信息加密、動(dòng)態(tài)信號(hào)調(diào)控與防偽識(shí)別器件中的廣泛應(yīng)用潛力，為材料科學(xué)與信息技術(shù)的深度融合開(kāi)辟了新的發(fā)展方向。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202507637