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廈大廖新勤 AFM：傳感器內微分和決策的可編程電子觸覺皮膚

2024-09-15 來源：高分子科技

觸摸位置與壓力信號都是精確刻畫潛在行為中不可或缺的指標。傳統的陣列結構可以使觸覺傳感器感知觸摸位置和壓力信息，然而，它們面臨著結構復雜、感知結構分離和觸覺特征丟失等方面的挑戰。傳感單元數量眾多、結構復雜會導致在傳感終端產生大量冗余數據，并且眾多的傳感單元難以保持性能的一致與穩定。此外，無論觸摸特征是否改變，觸覺傳感器基于“時間驅動”的工作模式在陣列中以固定頻率輸出信號，這進一步增加了冗余數據量。這些大量的冗余數據增加了后端處理和分析的難度，意味著傳統的觸覺傳感器的感知架構僅以計算終端為中心。為了減少冗余數據的收集，基于周期性采樣的交叉掃描模式將檢測通道減少到N+M（N為行數，M為列數），而傳統模式基于單個掃描的需要N×M通道。然而，該方法在結構復雜度方面沒有實現根本性的優化，也沒有實現感知與計算的重構與融合。數據需要通過整個信號鏈傳輸，然后到達計算終端，在計算終端需要復雜的算法來解耦觸摸信息。感知與計算的分離造成了數據傳輸的延遲和計算終端計算資源的大量消耗。

圖1 仿生PR電子皮膚的設計機理

近期，廈門大學廖新勤等人提出了一種集成了傳感、計算和決策功能的位置和壓力感知電子皮膚（PR電子皮膚）來解決這一挑戰。研究團隊設計了一種分層協同的結構，該結構允許PR電子皮膚能夠在數據終端有選擇地提取有效的數據。PR電子皮膚基于“事件驅動”的工作模式只有當觸摸事件發生時，才產生數據，這進一步縮小了數據量。這些特性共同實現了原始數據的優化，同時保留完整和關鍵的觸摸信息，從而顯著加快后續的計算速度。PR電子皮膚由位置層（圖2）與壓力層（圖3）構成，位置層與壓力層采用類似的結構實現了不同功能的感知。最后，研究團隊對PR電子皮膚在人機交互領域中的應用場景進行了驗證（圖4、圖5和圖6），表明其在可穿戴設備、智能機器人和智慧互聯網等方面具有潛在的應用場景。相關研究成果以“A Programmable Electronic Skin with Event-Driven In-Sensor Touch Differential and Decision-Making”為題發表于Advanced Functional Materials。廈門大學電子科學與技術學院陳忠教授和廖新勤副教授為論文共同通訊作者，第一作者為廈門大學碩士生曹智誠，新加坡南洋理工大學鄭元謹教授（卓越集成電路設計中心主任）和北京科技大學廖慶亮教授（長江學者特聘教授、院長）提供重要支持幫助。研究工作得到了國家自然科學基金、福廈泉國家自主創新示范區合作項目、福建省自然科學基金和中央高校基本科研業務費等資助。