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南洋理工大學陳曉東教授和復旦大學王明研究員《Adv. Mater.》: 感算一體化智能電子皮膚

2022-07-15 來源：高分子科技

皮膚是人體最大的組織器官，包含數(shù)以萬計的感覺感受器和神經(jīng)元單元，它不僅能夠?qū)崟r地感受外界的刺激，同時能夠?qū)︖@些刺激信號進行簡單的處理。目前，以模仿皮膚功能與結(jié)構(gòu)的電子皮膚系統(tǒng)在可穿戴設備、假肢和人機交互等領域?qū)崿F(xiàn)前所未有的應用。但是，大多數(shù)電子皮膚系統(tǒng)僅局限于外界刺激的檢測，不能對信號進行實時的處理，導致嚴重的系統(tǒng)能耗和較長的響應延遲問題。

最近，新加坡南洋理工大學陳曉東教授與復旦大學王明青年研究員合作開發(fā)了一種基于憶阻陣列的近傳感模擬計算智能觸覺感知系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時兼具傳感與計算的功能。

圖1. 基于憶阻陣列的近傳感模擬計算智能觸覺感知系統(tǒng)。圖片來源：Wiley。

在前期研究結(jié)果（Advanced Materials, 2021, 33, 2003014）基礎之上，研究人員通過傳感器設計、偏置電壓配置以及憶阻陣列配置的組合效應來實現(xiàn)觸覺傳感器與憶阻器的陣列級集成，構(gòu)建了一個近傳感模擬計算的智能觸覺感知系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)無需任何前端電子接口設備就可同時實時地檢測和處理多個觸覺刺激。它是由一個用于感知觸覺信息的3×3壓力傳感器陣列和一個用于數(shù)據(jù)處理的（9×1）×1憶阻陣列構(gòu)成。為了驗證效果，研究人員基于上述近傳感模擬計算的智能觸覺感知系統(tǒng)來執(zhí)行兩個智能感知任務：第一個任務是實時的壓力感知與信號降噪；第二個任務是目標物輪廓的實時檢測（圖2）。在實驗中，該系統(tǒng)同時檢測和處理多個觸覺刺激信息，一次傳感-計算操作的時間大約需要400ns，間隔時間為1μs，也就是說其處理能力為每秒100萬次傳感-計算操作。降噪和邊緣輪廓檢測任務的最大靜態(tài)平均功耗分別為2μW和7.84μW，比基于傳統(tǒng)前端電子接口系統(tǒng)（Cadence仿真）的功耗低三個數(shù)量級以上。研究結(jié)果表明，利用憶阻陣列的近傳感模擬計算系統(tǒng)來獲得超快的、高能效的人工智能電子皮膚是可行的，可實現(xiàn)一系列高性能的人機交互應用，并推動元宇宙的發(fā)展。

圖2. 基于近傳感模擬計算系統(tǒng)的目標物輪廓檢測實例。圖片來源：Wiley。

相關成果以“Tactile Near-sensor Analogue Computing for Ultrafast Responsive Artificial Skin”為題在Advanced Materials上在線發(fā)表。論文的第一單位為復旦大學芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院，第一作者為復旦大學王明，通訊作者為新加坡南洋理工大學陳曉東教授。王明，現(xiàn)為復旦大學青年研究員、博導，國家優(yōu)青（海外），E-mail: wang_ming@fudan.edu.cn，個人主頁：https://wangmingfdu.github.io/。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202201962

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（責任編輯：xu）

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