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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(jìn)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(shè)備、假肢和人機交互等領(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，不能對信號進(jìn)行實時的處理，導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)能耗和較長的響應(yīng)延遲問題。


  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(chǔ)之上，研究人員通過傳感器設(shè)計、偏置電壓配置以及憶阻陣列配置的組合效應(yīng)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(shè)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(wù)：第一個任務(wù)是實時的壓力感知與信號降噪；第二個任務(wù)是目標(biāo)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(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(yīng)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(biāo)物輪廓檢測實例。圖片來源：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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