南洋理工大学陈晓东教授和复旦大学王明研究员《Adv. Mater.》: 感算一体化智能电子皮肤

2022-07-15 来源：高分子科技

皮肤是人体最大的组织器官，包含数以万计的感觉感受器和神经元单元，它不仅能够实时地感受外界的刺激，同时能够对这些刺激信号进行简单的处理。目前，以模仿皮肤功能与结构的电子皮肤系统在可穿戴设备、假肢和人机交互等领域实现前所未有的应用。但是，大多数电子皮肤系统仅局限于外界刺激的检测，不能对信号进行实时的处理，导致严重的系统能耗和较长的响应延迟问题。

最近，新加坡南洋理工大学陈晓东教授与复旦大学王明青年研究员合作开发了一种基于忆阻阵列的近传感模拟计算智能触觉感知系统，该系统同时兼具传感与计算的功能。

图1. 基于忆阻阵列的近传感模拟计算智能触觉感知系统。图片来源：Wiley。

在前期研究结果（Advanced Materials, 2021, 33, 2003014）基础之上，研究人员通过传感器设计、偏置电压配置以及忆阻阵列配置的组合效应来实现触觉传感器与忆阻器的阵列级集成，构建了一个近传感模拟计算的智能触觉感知系统（图1）。该系统无需任何前端电子接口设备就可同时实时地检测和处理多个触觉刺激。它是由一个用于感知触觉信息的3×3压力传感器阵列和一个用于数据处理的（9×1）×1忆阻阵列构成。为了验证效果，研究人员基于上述近传感模拟计算的智能触觉感知系统来执行两个智能感知任务：第一个任务是实时的压力感知与信号降噪；第二个任务是目标物轮廓的实时检测（图2）。在实验中，该系统同时检测和处理多个触觉刺激信息，一次传感-计算操作的时间大约需要400ns，间隔时间为1μs，也就是说其处理能力为每秒100万次传感-计算操作。降噪和边缘轮廓检测任务的最大静态平均功耗分别为2μW和7.84μW，比基于传统前端电子接口系统（Cadence仿真）的功耗低三个数量级以上。研究结果表明，利用忆阻阵列的近传感模拟计算系统来获得超快的、高能效的人工智能电子皮肤是可行的，可实现一系列高性能的人机交互应用，并推动元宇宙的发展。

图2. 基于近传感模拟计算系统的目标物轮廓检测实例。图片来源：Wiley。

相关成果以“Tactile Near-sensor Analogue Computing for Ultrafast Responsive Artificial Skin”为题在Advanced Materials上在线发表。论文的第一单位为复旦大学芯片与系统前沿技术研究院，第一作者为复旦大学王明，通讯作者为新加坡南洋理工大学陈晓东教授。王明，现为复旦大学青年研究员、博导，国家优青（海外），E-mail: wang_ming@fudan.edu.cn，个人主页：https://wangmingfdu.github.io/。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202201962

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（责任编辑：xu）

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