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  近日，廈門大學(xué)廖新勤課題組受章魚觸手的微型大腦和人體軟硬組織的啟發(fā)，提出了一種可重構(gòu)、自適應(yīng)的智能觸摸傳感器（RAI觸摸傳感器）。感應(yīng)元件的幾何級(jí)數(shù)結(jié)構(gòu)為RAI觸摸傳感器提供了獨(dú)特的集成感應(yīng)機(jī)制。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了類似于章魚小腦群的分布式計(jì)算，將傳統(tǒng)處理器的原始傳感數(shù)據(jù)的處理和集成委托給傳感元件。對(duì)于從單點(diǎn)觸摸到多點(diǎn)觸摸的動(dòng)態(tài)觸摸識(shí)別，RAI觸摸傳感器使用集成傳感機(jī)制集成傳感數(shù)據(jù)。這極大地壓縮了RAI觸摸傳感器內(nèi)的數(shù)據(jù)維度，產(chǎn)生簡(jiǎn)潔且不失真的交互信號(hào)。為了使先進(jìn)的觸摸技術(shù)能夠有效地處理大量的傳感數(shù)據(jù)，這種將積分計(jì)算功能集成到傳感元件中的新型傳感器內(nèi)計(jì)算范式顯著提高了效率。不同人體組織的軟硬結(jié)合啟發(fā)了高度可變形的RAI觸摸傳感器，結(jié)合了柔軟的Ecoflex材料，具有屈曲結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電銀纖維紗，以及堅(jiān)硬的強(qiáng)粘合傳感元件。這項(xiàng)研究為傳感器內(nèi)計(jì)算和可重構(gòu)和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略提供了突破性的見解，以推進(jìn)可變形多點(diǎn)觸控電子技術(shù)，為未來具有人機(jī)界面的設(shè)備平臺(tái)提供了新的路線。相關(guān)工作以“Octopus tentacle-inspired in-sensor adaptive integral for edge-intelligent touch intention recognition”發(fā)表在《Advanced Materials》（IF 27.4，，一區(qū)TOP）上。

  觸摸技術(shù)作為一種革命性的交互方式，正在推動(dòng)著交互創(chuàng)新和多樣化應(yīng)用的發(fā)展�；谟|摸技術(shù)的意圖識(shí)別可以廣泛應(yīng)用于許多應(yīng)用，包括人形機(jī)器人、人機(jī)界面和工業(yè)機(jī)械。傳感和計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)量正以驚人的速度增長(zhǎng)，這反映了對(duì)觸摸數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)的需求不斷增長(zhǎng)，這是更廣泛的智能傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。然而，感知和計(jì)算節(jié)點(diǎn)的利用受到許多困難的困擾，其中最緊迫的困難包括布線復(fù)雜、可重構(gòu)性不足和計(jì)算復(fù)雜性。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于不同的結(jié)構(gòu)要求和制造技術(shù)，傳感單元與計(jì)算單元在物理上是分開的。傳感功能主要在模擬域中執(zhí)行，而計(jì)算則使用馮·諾伊曼計(jì)算架構(gòu)在數(shù)字域中進(jìn)行。傳感器終端收集大量原始數(shù)據(jù)，然后必須將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算單元進(jìn)行處理，這不可避免地需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸。

【研究亮點(diǎn)】

  將多點(diǎn)觸控技術(shù)應(yīng)用于人體手臂皮膚，激活機(jī)械感受器，將這些觸覺感知轉(zhuǎn)化為生物電信號(hào)。神經(jīng)系統(tǒng)將這些信號(hào)傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，最終傳遞到大腦的高級(jí)聯(lián)合皮層。與其他感覺輸入相結(jié)合，大腦的認(rèn)知過程啟動(dòng)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)反應(yīng)。這種復(fù)雜的生物機(jī)制允許在執(zhí)行日常任務(wù)時(shí)與環(huán)境進(jìn)行一系列相互作用。神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)元通過突觸進(jìn)行交流，每個(gè)神經(jīng)元與其他幾個(gè)神經(jīng)元形成連接。這些連接點(diǎn)形成了一個(gè)復(fù)雜的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。研究者們所設(shè)計(jì)的RAI觸摸傳感器模擬了神經(jīng)通路中多突觸通路的結(jié)構(gòu)。重要的是，該結(jié)構(gòu)的觸點(diǎn)模仿了機(jī)械感受器的內(nèi)部傳感結(jié)構(gòu)。在觸點(diǎn)處，由具有不同信號(hào)值的傳感元件組成的不同級(jí)數(shù)結(jié)構(gòu)影響電路內(nèi)信號(hào)的相互干擾。研究者們對(duì)比了三種類型的傳感器陣列：常數(shù)序列結(jié)構(gòu)、等差序列結(jié)構(gòu)和所設(shè)計(jì)的幾何序列結(jié)構(gòu)。

圖1 RAI觸摸傳感器的傳感機(jī)理及與普通設(shè)備相比的優(yōu)點(diǎn)

  RAI觸摸傳感器設(shè)計(jì)策略的靈感來自八個(gè)柔軟的章魚觸手，這些觸手可以通過與神經(jīng)肌肉系統(tǒng)協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)局部運(yùn)動(dòng)。在正常章魚的認(rèn)知中，“觸手思維”允許神經(jīng)纖維和機(jī)械感受器向迷你大腦傳遞神經(jīng)信號(hào)。研究者們?cè)O(shè)計(jì)了RAI觸摸傳感器結(jié)構(gòu)，模擬了章魚觸手的多點(diǎn)觸摸識(shí)別功能結(jié)構(gòu)。RAI觸摸傳感器是將多功能觸摸點(diǎn)和可拉伸螺紋結(jié)合在一起制成的。得益于這些元件的可重構(gòu)和自適應(yīng)特性，RAI觸摸傳感器在各種拉伸狀態(tài)下均具有響應(yīng)速度快，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間<200 μs，并且具有良好的大于10000次循環(huán)測(cè)試耐久性。電阻的相對(duì)變化（<0.19%）非常小，表明傳感器在各種機(jī)械變形下保持穩(wěn)定的性能，進(jìn)一步降低了串?dāng)_的可能性。這些屬性表明了該設(shè)備的突出實(shí)用性，該裝置是由剛性元件固定在軟聚合物基體上構(gòu)造的。軟硬結(jié)合通過剛性單元實(shí)現(xiàn)靜態(tài)壓力，通過軟區(qū)域?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變。

圖2 RAI觸摸傳感器的啟發(fā)與性能

  研究者們通過將剛性元件地固定在軟聚合物基體上構(gòu)造出RAI觸摸觸感器。軟硬結(jié)合通過剛性單元實(shí)現(xiàn)靜態(tài)壓力，通過軟區(qū)域?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變。硬-軟結(jié)合實(shí)現(xiàn)了RAI觸摸傳感器優(yōu)異的拉伸性（高達(dá)200%），扭轉(zhuǎn)性（180°）和可彎曲性（半徑低于25 mm）。通過結(jié)合柔軟的Ecoflex材料、具有屈曲結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電銀纖維紗和高粘性傳感元件，RAI觸摸傳感器能夠在同一物理單元內(nèi)執(zhí)行信號(hào)傳感和信息計(jì)算。這種集成大大減少了數(shù)據(jù)傳輸，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。獨(dú)特的積分感知機(jī)制最大限度地減少了數(shù)據(jù)維數(shù)，消除了冗余，大大提高了計(jì)算性能，優(yōu)化了處理后的信息。重要的是，通過巧妙地設(shè)計(jì)觸摸點(diǎn)和可拉伸的螺紋變形形式，RAI觸摸傳感器實(shí)現(xiàn)了前所未有的高度可拉伸的多點(diǎn)觸摸結(jié)構(gòu)。

圖3 RAI觸摸傳感器的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  研究者們利用其形態(tài)可重構(gòu)性，傳感器適應(yīng)各種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，使其適用于廣泛的可穿戴設(shè)備平臺(tái)。基于其高度可拉伸和獨(dú)特的集成傳感機(jī)制，RAI觸摸傳感器可以設(shè)計(jì)為線性，菱形或圓形結(jié)構(gòu)。并且展現(xiàn)出可以觸發(fā)LED，控制虛擬角色，并操作PowerPoint。

圖4 RAI觸摸傳感器單點(diǎn)觸摸和多點(diǎn)觸摸的人機(jī)交互

  摩斯密碼是一種可靠而成熟的通信技術(shù)，它采用標(biāo)準(zhǔn)化的“.”和“－”來表示字母、數(shù)字和一些特殊字符。這種方法允許溝通各方在不依賴口頭語(yǔ)言或書面文字的情況下傳達(dá)信息。摩斯密碼以其可靠性和堅(jiān)固性而聞名，在緊急通信、軍事行動(dòng)和業(yè)余無線電等特定領(lǐng)域保持了其重要性。為了將摩斯密碼整合到現(xiàn)代技術(shù)中，開發(fā)了一種將這種經(jīng)典方法的可靠性與先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)能力相結(jié)合的系統(tǒng)。研究者們采用基于一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)手指按壓產(chǎn)生的數(shù)字值進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)了摩斯密碼信號(hào)翻譯和識(shí)別的高精度和魯棒性。

圖5基于RAI手套的可穿戴摩斯密碼識(shí)別應(yīng)用

  研究者們研究了一種可穿戴、高度可拉伸、可重構(gòu)和自適應(yīng)的智能觸摸傳感器（RAI觸摸傳感器），它利用多點(diǎn)觸摸計(jì)算來實(shí)現(xiàn)傳感器內(nèi)自適應(yīng)學(xué)習(xí)和人機(jī)交互的實(shí)時(shí)推理。RAI觸摸傳感器是將多功能觸摸點(diǎn)和可拉伸螺紋結(jié)合在一起制成。提供了一種新的傳感和處理單元，可以進(jìn)一步擴(kuò)大先進(jìn)人機(jī)界面技術(shù)的范圍，有可能為交互式電子學(xué)開辟一條新的路線。為了在不同的交互環(huán)境中保持效率和有效性，根據(jù)環(huán)境變化或用戶需求調(diào)整操作模式或參數(shù)的能力尤為重要，這體現(xiàn)了設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)機(jī)制的力量和有效性�？傮w而言，本研究為下一代軟電子產(chǎn)品的高性能、可拉伸、可重構(gòu)和自適應(yīng)智能傳感系統(tǒng)的開發(fā)提供了一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)，并展示了傳感器內(nèi)計(jì)算策略的突破，為未來的人機(jī)技術(shù)設(shè)備平臺(tái)鋪平了道路。RAI觸摸傳感器具有動(dòng)態(tài)觸摸識(shí)別、可重構(gòu)和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略以及獨(dú)特的傳感集成機(jī)制，將極大地?cái)U(kuò)展在各種多點(diǎn)觸摸識(shí)別交互場(chǎng)景中的應(yīng)用。

  文獻(xiàn)鏈接

  Octopus Tentacle-Inspired In-Sensor Adaptive Integral for Edge-Intelligent Touch Intention Recognition

  https://doi.org/10.1002?/adma.202420501