在自然界中，生物體為了生存，演化出了各式各樣的感知能力。其中，非接觸式感知——即無需直接觸碰便能探測環(huán)境變化和潛在威脅的能力，在許多動(dòng)物的生存策略中扮演著關(guān)鍵角色。

在眾多非接觸式感知方式中，人類最為依靠的視覺擁有最高的分辨率，卻也伴隨著最高的能耗，消耗了大腦超過40%的感知處理能量。與視覺系統(tǒng)相比，蜘蛛選擇了一條不同的演化路徑。它們的光感受器密度比哺乳動(dòng)物低20倍，但全身卻覆蓋著極高密度的毛狀感受器，每平方毫米可達(dá)400根。這些毛狀感受器能夠?qū)⑼饨绶墙佑|刺激（如獵物引起的氣流）轉(zhuǎn)換為神經(jīng)脈沖序列，每次事件消耗的能量低于100pJ，能量密度比視覺系統(tǒng)低數(shù)百倍。這種策略實(shí)現(xiàn)了廣域感官覆蓋，同時(shí)將能耗降至最低，并克服了視覺感知的諸多限制。此類高效而節(jié)能的感知方式，正為現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)與人工智能感知系統(tǒng)帶來深遠(yuǎn)啟示。

近日，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)，提出了一種柔性脈沖毛發(fā)感受器（FISH），仿照蜘蛛毛感受器，能夠?qū)饬?a target="_blank">信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為電脈沖，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式感知。其功率密度低于100 nW/cm2，每個(gè)感知事件的能耗約為660 pJ，與蜘蛛毛感受器幾乎相當(dāng)，比傳統(tǒng)非接觸傳感器的能耗低了兩個(gè)數(shù)量級。

▍柔性脈沖毛發(fā)感受器（FISH）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

那么，這一超低功耗的傳感器是如何實(shí)現(xiàn)的呢？研究團(tuán)隊(duì)的核心設(shè)計(jì)在于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。這款名為柔性脈沖毛發(fā)感受器（FISH）”新型傳感器，是由基于聚酰亞胺（PI）的毛發(fā)狀傳感器和基于Ag/PI/LIG/PI 的柔性 TS憶阻器組成，能夠將氣流信息轉(zhuǎn)換為用于非接觸感知的脈沖序列。

FISH的概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)特征

毛發(fā)狀傳感器：仿生設(shè)計(jì)的精髓

FISH的毛發(fā)狀傳感器采用激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）技術(shù)，在聚酰亞胺基底上制作出寬度僅約25微米的傳感元件。掃描電子顯微鏡顯示，LIG呈現(xiàn)泡沫狀多孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了傳感器的響應(yīng)靈敏度，還保證了良好的柔韌性。

該傳感器能夠檢測低至0.4米/秒的氣流速度，通過調(diào)整PI基底厚度，甚至可實(shí)現(xiàn)0.04米/秒的最低檢測限。在7.0米/秒的氣流速度下，傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別僅為約40毫秒和26毫秒。經(jīng)過4500次循環(huán)測試，傳感器仍保持穩(wěn)定性能，顯示出優(yōu)異的可靠性。

毛發(fā)狀傳感器的電氣特性

柔性TS憶阻器：脈沖編碼的核心

柔性TS憶阻器是FISH實(shí)現(xiàn)脈沖編碼的關(guān)鍵。它展現(xiàn)出典型的突觸行為：當(dāng)施加的電壓超過閾值時(shí)，器件從高阻狀態(tài)切換到低阻狀態(tài)；當(dāng)電壓低于保持電壓時(shí)，又自發(fā)返回高阻狀態(tài)。這種特性使得憶阻器能夠在電流偏置下產(chǎn)生自激振蕩，輸出頻率可調(diào)的電壓尖峰。

該憶阻器表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性：經(jīng)過1000次重復(fù)循環(huán)，高阻態(tài)和低阻態(tài)的變異系數(shù)分別僅為7.71%和10.71%；在不同彎曲半徑（3-20毫米）和溫度條件（40-200°C）下均保持穩(wěn)定工作。當(dāng)輸入電流從100皮安增加到200納安時(shí)，尖峰頻率可從155赫茲提升至2650赫茲。

柔性TS憶阻器的電氣特性

協(xié)同工作：從氣流到脈沖序列

當(dāng)FISH檢測到氣流或接觸刺激時(shí)，毛發(fā)狀傳感器的電阻發(fā)生變化，從而改變流過TS憶阻器的電流。這一變化觸發(fā)憶阻器的自激振蕩特性，將傳感信息編碼為頻率可調(diào)的脈沖序列。在2.4伏偏置電壓下，F(xiàn)ISH產(chǎn)生的尖峰頻率約為500至1500赫茲，功耗僅約600納瓦，每次事件的能量消耗約為660 pJ，非常接近蜘蛛機(jī)械感受器的能耗水平。

最重要的是，F(xiàn)ISH的功率密度低于100納瓦/平方毫米，比已報(bào)道的非接觸式傳感設(shè)備至少低100倍，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模傳感器陣列提供了可能。

FISH 的刺突編碼行為

▍基于FISH矩陣和脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建完整非接觸觸覺感知系統(tǒng)

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合FISH矩陣與脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SNN），構(gòu)建了一套完整的非接觸觸覺感知（NCTP）系統(tǒng)，這一系統(tǒng)模仿生物感覺處理中的兩種關(guān)鍵機(jī)制：群體編碼和感受野整合。

群體編碼：單根FISH 僅能感知 “有氣流”，但 25 根 FISH 協(xié)同工作，就能捕捉氣流的 “空間分布”—— 比如蝴蝶形狀的氣流模板，會讓不同位置的 FISH 產(chǎn)生不同頻率的脈沖，共同構(gòu)成蝴蝶的脈沖圖像。

基于NCTP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣流介導(dǎo)的非接觸式識別

感受野整合：每根FISH 負(fù)責(zé)一個(gè) “小區(qū)域” 的感知，SNN 會把這些小區(qū)域的信號整合起來，分析出目標(biāo)的 “類型”（比如是蝴蝶還是飛蛾）和 “方向”（從左邊來還是右邊來）。

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)包含10個(gè)標(biāo)簽的自定義數(shù)據(jù)集，代表五種不同的模式類型和兩種方向條件。經(jīng)過70個(gè)訓(xùn)練周期后，脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對這些非接觸目標(biāo)的多維識別準(zhǔn)確率超過92%。這表明，通過FISH矩陣的群體編碼，系統(tǒng)能夠有效提取關(guān)于氣流模式和方向的多維信息。

▍NCTP 增強(qiáng)型蜘蛛機(jī)器人的集成與場景驗(yàn)證

為驗(yàn)證NCTP系統(tǒng)的實(shí)際性能，研究團(tuán)隊(duì)將2×3 FISH矩陣集成到蜘蛛機(jī)器人中。機(jī)器人的前端配備商用數(shù)碼相機(jī)用于視覺感知，后端則安裝FISH矩陣用于非接觸觸覺感知。

NCTP增強(qiáng)型蜘蛛機(jī)器人的演示

在五個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)場景中，蜘蛛機(jī)器人展示了對視覺和非接觸觸覺刺激的智能響應(yīng)：

在黑暗環(huán)境中，視覺系統(tǒng)失效，機(jī)器人保持靜止；在光照條件下，視覺系統(tǒng)檢測到前方獵物，機(jī)器人發(fā)起攻擊；無論光照條件如何，當(dāng)氣流表明獵物位于機(jī)器人后方時(shí)，F(xiàn)ISH矩陣觸發(fā)機(jī)器人轉(zhuǎn)身并攻擊；當(dāng)檢測到后方捕食者氣流模式時(shí)，機(jī)器人迅速向安全方向逃跑。

這些實(shí)驗(yàn)證明，NCTP系統(tǒng)能夠有效擴(kuò)展機(jī)器人的環(huán)境感知能力，克服視覺感知在黑暗、低能見度或盲區(qū)條件下的限制。

來源：ACs期刊資訊