中國電子元件行業(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)現了前所未有的智能應用。然而，由于傳感器和處理單元之間的物理分離，傳統的觸覺(jué)電子皮膚系統通常會(huì )執行冗余的數據傳輸和轉換以進(jìn)行決策，從而導致高傳輸延遲和功耗。在這里，我們報告了一種基于柔性電容式壓力傳感器陣列的傳感器內觸覺(jué)計算系統。該系統利用多個(gè)連接的傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)執行現場(chǎng)模擬乘法和累加操作，實(shí)現觸覺(jué)傳感和計算功能。我們實(shí)驗性地實(shí)現了用于低級觸覺(jué)處理任務(wù)的傳感器內觸覺(jué)計算系統，包括降噪和邊緣檢測。單感測計算操作的功耗比傳統混合電子系統低22倍以上。這些結果表明，我們的電容式傳感器內計算系統為機器人和人機界面等功率受限的應用開(kāi)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)表在國際頂級期刊Nature Communications上，復旦大學(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）可以增強人類(lèi)和機器人對周?chē)h(huán)境的理解，從而在觸覺(jué)探索和物體操縱方面實(shí)現前所未有的應用，如神經(jīng)假肢、機器人和人機界面。這種探索和操縱通常依賴(lài)于在與目標對象交互期間快速檢測和處理非結構化、冗余和模擬觸覺(jué)信號，包括壓力、應變和溫度信息。然而，在傳統的觸覺(jué)電子皮膚系統中，觸覺(jué)傳感器捕獲模擬觸覺(jué)信號，通過(guò)模數轉換電路將其轉換為數字格式，隨后傳輸到外部處理單元進(jìn)行計算。傳感器和處理單元之間的這種物理分離帶來(lái)了大量的數據轉換和傳輸，導致了高傳輸延遲和功耗。
近傳感器和傳感器計算范式的最新進(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的處理效率。在近傳感器計算范式中，數據計算在傳感器旁邊進(jìn)行，這減少了冗余數據的傳輸，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，傳感器內計算范式利用單個(gè)自適應傳感器27、多個(gè)連接的傳感器或新型設備結構直接感測并同時(shí)處理感官信息，提供了一種更具吸引力的解決方案，相對完全消除了系統中的數據轉換和傳輸。特別是，陣列級的傳感器內計算可以實(shí)現模擬乘法和累加（MAC）運算，這是實(shí)現人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的先決條件。傳感器內MAC計算范式已在用于視覺(jué)感官處理的光電設備和陣列中得到了很好的證明。然而，尚未報告觸覺(jué)刺激的傳感器內MAC計算的實(shí)現，主要是由于單個(gè)觸覺(jué)傳感器缺乏直接計算能力。在各種觸覺(jué)傳感技術(shù)中，電容式傳感器具有靈敏度高、穩定性好、響應時(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)感測和處理觸覺(jué)刺激的潛力，但實(shí)現觸覺(jué)刺激的傳感器內MAC操作仍然難以實(shí)現。
在這項工作中，我們報告了一種基于柔性電容式壓力傳感器陣列的傳感器內觸覺(jué)計算系統。該系統利用多個(gè)連接的電容式傳感器網(wǎng)絡(luò )，在電氣開(kāi)關(guān)的輔助下實(shí)現觸覺(jué)MAC操作，實(shí)現觸覺(jué)刺激的實(shí)時(shí)感知和同時(shí)計算。電容式傳感器陣列由具有微結構聚乙烯醇/磷酸（PVA/H3PO4）傳感層和可拉伸金（Au）電極的堆疊結構制成，具有0.36的高電容壓力靈敏度?nF?kPa?1。我們通過(guò)實(shí)驗說(shuō)明了用于低級觸覺(jué)處理任務(wù)的傳感器內觸覺(jué)計算系統，包括降噪和邊緣檢測。我們系統的最大功耗僅為493?μW和492?μW分別用于觸覺(jué)降噪和邊緣檢測，比傳統的混合電子系統低22倍以上。這些結果表明，我們的電容式傳感器內計算系統在觸覺(jué)探索和物體操縱的功率受限應用中很有前景，包括機器人和人機界面。
