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

2022-07-15 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：電子皮膚憶阻陣列近傳感模擬計(jì)算智能觸覺(jué)感知人機(jī)交互

皮膚是人體最大的組織器官，包含數(shù)以萬(wàn)計(jì)的感覺(jué)感受器和神經(jīng)元單元，它不僅能夠?qū)崟r(shí)地感受外界的刺激，同時(shí)能夠?qū)︖@些刺激信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)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(shè)備、假肢和人機(jī)交互等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)前所未有的應(yīng)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(cè)，不能對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理，導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)能耗和較長(zhǎng)的響應(yīng)延遲問(wèn)題。

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

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

在前期研究結(jié)果（Advanced Materials, 2021, 33, 2003014）基礎(chǔ)之上，研究人員通過(guò)傳感器設(shè)計(jì)、偏置電壓配置以及憶阻陣列配置的組合效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)傳感器與憶阻器的陣列級(jí)集成，構(gòu)建了一個(gè)近傳感模擬計(jì)算的智能觸覺(jué)感知系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)無(wú)需任何前端電子接口設(shè)備就可同時(shí)實(shí)時(shí)地檢測(cè)和處理多個(gè)觸覺(jué)刺激。它是由一個(gè)用于感知觸覺(jué)信息的3×3壓力傳感器陣列和一個(gè)用于數(shù)據(jù)處理的（9×1）×1憶阻陣列構(gòu)成。為了驗(yàn)證效果，研究人員基于上述近傳感模擬計(jì)算的智能觸覺(jué)感知系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行兩個(gè)智能感知任務(wù)：第一個(gè)任務(wù)是實(shí)時(shí)的壓力感知與信號(hào)降噪；第二個(gè)任務(wù)是目標(biāo)物輪廓的實(shí)時(shí)檢測(cè)（圖2）。在實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)和處理多個(gè)觸覺(jué)刺激信息，一次傳感-計(jì)算操作的時(shí)間大約需要400ns，間隔時(shí)間為1μs，也就是說(shuō)其處理能力為每秒100萬(wàn)次傳感-計(jì)算操作。降噪和邊緣輪廓檢測(cè)任務(wù)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(gè)數(shù)量級(jí)以上。研究結(jié)果表明，利用憶阻陣列的近傳感模擬計(jì)算系統(tǒng)來(lái)獲得超快的、高能效的人工智能電子皮膚是可行的，可實(shí)現(xiàn)一系列高性能的人機(jī)交互應(yīng)用，并推動(dòng)元宇宙的發(fā)展。

圖2. 基于近傳感模擬計(jì)算系統(tǒng)的目標(biāo)物輪廓檢測(cè)實(shí)例。圖片來(lái)源：Wiley。

相關(guān)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(fù)旦大學(xué)芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院，第一作者為復(fù)旦大學(xué)王明，通訊作者為新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授。王明，現(xiàn)為復(fù)旦大學(xué)青年研究員、博導(dǎo)，國(guó)家優(yōu)青（海外），E-mail: wang_ming@fudan.edu.cn，個(gè)人主頁(yè)：https://wangmingfdu.github.io/。

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

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（責(zé)任編輯：xu）

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