中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
觸覺(jué)信息的實(shí)時(shí)傳感和處理對(duì)于提高人工電子皮膚（e-skin）的能力至關(guān)重要，從而在觸覺(jué)探索和物體操縱方面實(shí)現(xiàn)了前所未有的智能應(yīng)用。然而，由于傳感器和處理單元之間的物理分離，傳統(tǒng)的觸覺(jué)電子皮膚系統(tǒng)通常會(huì)執(zhí)行冗余的數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換以進(jìn)行決策，從而導(dǎo)致高傳輸延遲和功耗。在這里，我們報(bào)告了一種基于柔性電容式壓力傳感器陣列的傳感器內(nèi)觸覺(jué)計(jì)算系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用多個(gè)連接的傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)模擬乘法和累加操作，實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)傳感和計(jì)算功能。我們實(shí)驗(yàn)性地實(shí)現(xiàn)了用于低級(jí)觸覺(jué)處理任務(wù)的傳感器內(nèi)觸覺(jué)計(jì)算系統(tǒng)，包括降噪和邊緣檢測(cè)。單感測(cè)計(jì)算操作的功耗比傳統(tǒng)混合電子系統(tǒng)低22倍以上。這些結(jié)果表明，我們的電容式傳感器內(nèi)計(jì)算系統(tǒng)為機(jī)器人和人機(jī)界面等功率受限的應(yīng)用開辟了一條有前景的道路。
2025年7月1日，相關(guān)研究成果以“Capacitive in-sensor tactile computing”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Communications上，復(fù)旦大學(xué)劉明院士、王明研究員為論文共同通訊作者。
觸覺(jué)電子皮膚（e-skin）可以增強(qiáng)人類和機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的理解，從而在觸覺(jué)探索和物體操縱方面實(shí)現(xiàn)前所未有的應(yīng)用，如神經(jīng)假肢、機(jī)器人和人機(jī)界面。這種探索和操縱通常依賴于在與目標(biāo)對(duì)象交互期間快速檢測(cè)和處理非結(jié)構(gòu)化、冗余和模擬觸覺(jué)信號(hào)，包括壓力、應(yīng)變和溫度信息。然而，在傳統(tǒng)的觸覺(jué)電子皮膚系統(tǒng)中，觸覺(jué)傳感器捕獲模擬觸覺(jué)信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，隨后傳輸?shù)酵獠刻幚韱卧M(jìn)行計(jì)算。傳感器和處理單元之間的這種物理分離帶來(lái)了大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸，導(dǎo)致了高傳輸延遲和功耗。
近傳感器和傳感器計(jì)算范式的最新進(jìn)展通過(guò)減少甚至消除傳感器和處理單元之間的接口來(lái)提高傳感和處理系統(tǒng)的處理效率。在近傳感器計(jì)算范式中，數(shù)據(jù)計(jì)算在傳感器旁邊進(jìn)行，這減少了冗余數(shù)據(jù)的傳輸，但仍然無(wú)法擺脫傳感器和處理單元物理分離的困境。相比之下，傳感器內(nèi)計(jì)算范式利用單個(gè)自適應(yīng)傳感器27、多個(gè)連接的傳感器或新型設(shè)備結(jié)構(gòu)直接感測(cè)并同時(shí)處理感官信息，提供了一種更具吸引力的解決方案，相對(duì)完全消除了系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸。特別是，陣列級(jí)的傳感器內(nèi)計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)模擬乘法和累加（MAC）運(yùn)算，這是實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的先決條件。傳感器內(nèi)MAC計(jì)算范式已在用于視覺(jué)感官處理的光電設(shè)備和陣列中得到了很好的證明。然而，尚未報(bào)告觸覺(jué)刺激的傳感器內(nèi)MAC計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，主要是由于單個(gè)觸覺(jué)傳感器缺乏直接計(jì)算能力。在各種觸覺(jué)傳感技術(shù)中，電容式傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)時(shí)間快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。盡管互連的電容式傳感器陣列顯示出同時(shí)感測(cè)和處理觸覺(jué)刺激的潛力，但實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)刺激的傳感器內(nèi)MAC操作仍然難以實(shí)現(xiàn)。
在這項(xiàng)工作中，我們報(bào)告了一種基于柔性電容式壓力傳感器陣列的傳感器內(nèi)觸覺(jué)計(jì)算系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用多個(gè)連接的電容式傳感器網(wǎng)絡(luò)，在電氣開關(guān)的輔助下實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)MAC操作，實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)刺激的實(shí)時(shí)感知和同時(shí)計(jì)算。電容式傳感器陣列由具有微結(jié)構(gòu)聚乙烯醇/磷酸（PVA/H3PO4）傳感層和可拉伸金（Au）電極的堆疊結(jié)構(gòu)制成，具有0.36的高電容壓力靈敏度?nF?kPa?1。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了用于低級(jí)觸覺(jué)處理任務(wù)的傳感器內(nèi)觸覺(jué)計(jì)算系統(tǒng)，包括降噪和邊緣檢測(cè)。我們系統(tǒng)的最大功耗僅為493?μW和492?μW分別用于觸覺(jué)降噪和邊緣檢測(cè)，比傳統(tǒng)的混合電子系統(tǒng)低22倍以上。這些結(jié)果表明，我們的電容式傳感器內(nèi)計(jì)算系統(tǒng)在觸覺(jué)探索和物體操縱的功率受限應(yīng)用中很有前景，包括機(jī)器人和人機(jī)界面。
