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廈大廖新勤 AFM:傳感器內(nèi)微分和決策的可編程電子觸覺皮膚
2024-09-15  來源:高分子科技

  觸摸位置與壓力信號(hào)都是精確刻畫潛在行為中不可或缺的指標(biāo)。傳統(tǒng)的陣列結(jié)構(gòu)可以使觸覺傳感器感知觸摸位置和壓力信息,然而,它們面臨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、感知結(jié)構(gòu)分離和觸覺特征丟失等方面的挑戰(zhàn)。傳感單元數(shù)量眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜會(huì)導(dǎo)致在傳感終端產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù),并且眾多的傳感單元難以保持性能的一致與穩(wěn)定。此外,無論觸摸特征是否改變,觸覺傳感器基于“時(shí)間驅(qū)動(dòng)”的工作模式在陣列中以固定頻率輸出信號(hào),這進(jìn)一步增加了冗余數(shù)據(jù)量。這些大量的冗余數(shù)據(jù)增加了后端處理和分析的難度,意味著傳統(tǒng)的觸覺傳感器的感知架構(gòu)僅以計(jì)算終端為中心。為了減少冗余數(shù)據(jù)的收集,基于周期性采樣的交叉掃描模式將檢測(cè)通道減少到N+MN為行數(shù),M為列數(shù)),而傳統(tǒng)模式基于單個(gè)掃描的需要N×M通道。然而,該方法在結(jié)構(gòu)復(fù)雜度方面沒有實(shí)現(xiàn)根本性的優(yōu)化,也沒有實(shí)現(xiàn)感知與計(jì)算的重構(gòu)與融合。數(shù)據(jù)需要通過整個(gè)信號(hào)鏈傳輸,然后到達(dá)計(jì)算終端,在計(jì)算終端需要復(fù)雜的算法來解耦觸摸信息。感知與計(jì)算的分離造成了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和計(jì)算終端計(jì)算資源的大量消耗。


1 仿生PR電子皮膚的設(shè)計(jì)機(jī)理


  近期,廈門大學(xué)廖新勤等人提出了一種集成了傳感、計(jì)算和決策功能的位置和壓力感知電子皮膚(PR電子皮膚)來解決這一挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種分層協(xié)同的結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)允許PR電子皮膚能夠在數(shù)據(jù)終端有選擇地提取有效的數(shù)據(jù)。PR電子皮膚基于“事件驅(qū)動(dòng)”的工作模式只有當(dāng)觸摸事件發(fā)生時(shí),才產(chǎn)生數(shù)據(jù),這進(jìn)一步縮小了數(shù)據(jù)量。這些特性共同實(shí)現(xiàn)了原始數(shù)據(jù)的優(yōu)化,同時(shí)保留完整和關(guān)鍵的觸摸信息,從而顯著加快后續(xù)的計(jì)算速度。PR電子皮膚由位置層(圖2)與壓力層(圖3)構(gòu)成,位置層與壓力層采用類似的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了不同功能的感知。最后,研究團(tuán)隊(duì)對(duì)PR電子皮膚在人機(jī)交互領(lǐng)域中的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了驗(yàn)證(圖4、圖5和圖6),表明其在可穿戴設(shè)備、智能機(jī)器人和智慧互聯(lián)網(wǎng)等方面具有潛在的應(yīng)用場(chǎng)景。相關(guān)研究成果以“A Programmable Electronic Skin with Event-Driven In-Sensor Touch Differential and Decision-Making”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials。廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳忠教授廖新勤副教授為論文共同通訊作者,第一作者為廈門大學(xué)碩士生曹智誠,新加坡南洋理工大學(xué)鄭元謹(jǐn)教授(卓越集成電路設(shè)計(jì)中心主任)和北京科技大學(xué)廖慶亮教授(長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、院長(zhǎng))提供重要支持幫助。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、福廈泉國家自主創(chuàng)新示范區(qū)合作項(xiàng)目、福建省自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等資助。


位置層的傳感機(jī)理和性能測(cè)試


壓力層的傳感機(jī)理和性能測(cè)試

位置層與壓力層的應(yīng)用場(chǎng)景



PR電子皮膚的性能探究


PR電子皮膚用于雙重密碼滑動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)


  總的來說,研究團(tuán)隊(duì)提出了一種集傳感、計(jì)算和決策于一體的位置和壓力感知電子皮膚。多功能識(shí)別能力、緊湊的傳感器內(nèi)存和低計(jì)算消耗為人機(jī)交互、智慧互聯(lián)網(wǎng)和智能機(jī)器人的應(yīng)用提供了新的機(jī)會(huì)。PR電子皮膚為構(gòu)建具有事件驅(qū)動(dòng)傳感器內(nèi)計(jì)算的位置和壓力感知系統(tǒng)提供了一個(gè)理想和重要的替代方案。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202412649

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