研究背景

部署在可穿戴设备、假手、和机器人皮肤等先进智能系统中的电子皮肤有许多灵活的感觉节点来捕捉周围的触觉刺激。传统上，这些节点与前端电子装置连接，将触觉信号转换并传输到外部计算机或云端进行数据处理。这种设置导致了较长的延迟(毫秒)并消耗了大量的能量(毫瓦)。

近传感器或传感器内计算，即在传感器附近或内部执行计算任务，通过缩短传感器和计算单元之间的数据传输距离来减少响应延迟和能源消耗。例如，商业计算单元已经被集成到灵活或可拉伸的传感系统中，以实现近传感器计算范式的本地化数据处理和分析。然而，这些系统仍然依赖于冯-诺依曼计算架构，它要求在计算前将原始模拟信号转换为数字格式。这样的数据转换继续限制着感官系统的反应速度。

最近的物理智能设备，如光电设备和记忆体，已经显示出在物质层面直接计算模拟信号的能力，允许近距离的传感器或传感器内计算。特别是，具有内存处理特性的记忆体已经被集成到电子皮肤系统中，用于模拟触觉信息的局部预处理。在这些系统中，每个记忆体装置单独预处理与记忆体紧密相连的一个像素的模拟触觉信号。然而，这些方法忽略了相关的相邻像素的触觉信息的影响，这些信息有助于物体的空间辨别，如边缘检测和纹理识别，这一点已被神经生理学基础和数学算法所验证。在这方面，需要将来自相关像素的多个触觉信号同时输入到记忆体计算阵列中。然而，直接将触觉传感器与忆阻器阵列对接以进行多重模拟触觉信息处理还没有实现，因为将传感器集成到忆阻器中会损害原始忆阻器网络的内存计算优点。

研究成果

新加坡南洋理工大学陈晓东教授团队报告了一个基于灵活的记忆体阵列的近传感器模拟计算系统，用于人工皮肤应用。该系统将触觉传感器阵列与柔性氧化铪膜片阵列无缝集成，可以同时感知和计算原始的多个模拟压力信号，而不需要接口电子器件。作为概念验证，将该系统用于触觉刺激的实时降噪和边缘检测。该系统的一个感应-计算操作需要大约400 ns，并且比传统的接A电子系统平均少消耗1000倍的能量。结果表明，近传感器模拟计算为大规模人工皮肤系统提供了一条超快速和高能效的途径。相关研究以“Tactile near-sensor analogue computing for ultrafast responsive artificial skin”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点

1. 报告了一个集成的压力传感器-记忆体系统，它可以为超快的人造皮肤应用实现近似传感器的模拟计算。2. 可以同时感知和处理多种触觉刺激，而不需要任何转换电路，可以执行两个实时传感和计算任务：降噪和多个压力刺激的边缘检测。3. 证明了使用近似传感器的模拟计算，获得超快和节能的人造皮肤系统是可能的，有可能实现一系列强大的人机互动。

图文导读

Figure 1. Near-sensor analogue computing system.

Figure 2. Flexible memristor array for analogue computing.

Figure 3 Near-sensor analogue computing for real-time sensing and noise reduction of pressure stimuli.

Figure 4 Near-sensor analogue computing for real-time edge detection of the capturing pressure pattern.

总结与展望

作者已经展示了一个基于近似传感器模拟计算架构的超快人造皮肤系统，它可以同时实时捕捉和处理触觉刺激。该系统包括一个用于压力检测的超敏感金宇塔式压力传感器阵列，以及一个用于多个感官数据计算的灵活的记忆体阵列，而不需要接口电子设备。基于记忆体计算阵列显示出可靠和可编程的电导状态，以及良好的机械灵活性，使人工皮肤中的局部计算成为可能。我们利用该系统实时检测压力信号，并同时去除可能由污染物体或不当接触引入的噪音压力点。此外，该系统可以安装在手指或假体上，实时检测外部物体的边缘信息。该系统一次传感-计算操作的响应时间为400 ns，平均功耗比传统接口电子系统低1000倍。相信这种超快和节能的人工皮肤系统将在未来重塑人机互动，并改变许多现有智能应用的操作。

文献链接

Tactile near-sensor analogue computing for ultrafast responsive artificial skin, https://doi.org/10.1002/adma.202201962