【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院(微電子學(xué)院)、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和廣東省顯示材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王凱教授課題組在應(yīng)用于機(jī)器觸覺的神經(jīng)形態(tài)觸覺傳感器的研究工作中取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。
 

圖1元宇宙中的“打籃球”游戲、觸覺手套和基于觸覺掃描儀的觸覺信息采集和觸覺渲染
 

　　為了滿足未來元宇宙和沉浸式體驗(yàn)的需求，機(jī)器觸覺應(yīng)運(yùn)而生。然而，與發(fā)展了近半個(gè)世紀(jì)的數(shù)字?jǐn)z像頭和麥克風(fēng)等機(jī)器視覺和聽覺設(shè)備相比，機(jī)器觸覺設(shè)備仍處于非常初級(jí)階段，其所需的觸覺感知設(shè)備、計(jì)算和渲染工具以及與之相對(duì)應(yīng)的算法和軟件十分匱乏。作為邁向機(jī)器觸覺廣泛應(yīng)用的第一步，高保真和高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集技術(shù)關(guān)重要。在本項(xiàng)工作中，王凱教授課題組研制了一種基于神經(jīng)形態(tài)觸覺傳感器的掃描設(shè)備并初步實(shí)現(xiàn)了類皮膚觸覺特征的觸覺信息采集(圖1)。
 

　　信號(hào)與系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)是定義一個(gè)新領(lǐng)域的前提。與傳統(tǒng)的力觸覺信號(hào)與系統(tǒng)不同，類人類皮膚的機(jī)器觸覺系統(tǒng)是基于神經(jīng)形態(tài)并仿生人類觸覺的工作原理。區(qū)別于傳統(tǒng)模式，信號(hào)特性及其處理方式也大不相同，其基礎(chǔ)信號(hào)是神經(jīng)尖峰脈沖(Spike)而非傳統(tǒng)的數(shù)字和模擬混合信號(hào)；其計(jì)算范式是基于矩陣乘法的模擬計(jì)算，而非基于布爾邏輯的馮諾依曼數(shù)字計(jì)算。
 

圖2 機(jī)器觸覺的信號(hào)與系統(tǒng)以及與人類觸覺神經(jīng)系統(tǒng)的對(duì)比
 

　　因此，在神經(jīng)形態(tài)觸覺傳感器的設(shè)計(jì)上，課題組借鑒了生物觸覺感知傳入神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)械感受器、生物突觸和神經(jīng)元的工作機(jī)制，特別是參考了皮膚感知、處理觸覺刺激的電生理化處理過程，利用柔性聚偏二氟乙烯(PVDF)制備的軸突感受器模仿生物機(jī)械感受器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械力與電學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)換；利用雙柵薄膜晶體管(TFT)的導(dǎo)電溝道可變電阻等效為突觸電導(dǎo)(gsyn)、電容等效為突觸膜電容(csyn)，首次提出基于雙柵TFT的一階非線性神經(jīng)元電路模型，用以模擬生物突觸的興奮性突觸后電流(EPSC)行為；基于泄漏-積分-發(fā)放模型Leaky Integrate-and-Fire Model (LIF)的脈沖編碼電路，模仿神經(jīng)尖峰脈沖信號(hào)的處理功能(圖2)。
 

　　圖3 5種表面材質(zhì)的觸覺信息的采集(Tactile Acquisition)和重現(xiàn)(Tactile Rending)
 

　　課題組利用制備的10×10神經(jīng)形態(tài)觸覺傳感器陣列捕捉5種不同類型材質(zhì)表面紋理的神經(jīng)形態(tài)觸覺信息(TA)，見圖3。不同類型材質(zhì)的TA信號(hào)頻譜存在不同的特征峰，其采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)計(jì)算的識(shí)別率高達(dá)93%，表明神經(jīng)形態(tài)觸覺傳感器陣列可采集高質(zhì)量材質(zhì)表面特征信息。將這些觸覺信息編碼產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器表面的觸覺渲染信息(TR)，嘗試再現(xiàn)皮膚在虛擬空間重現(xiàn)材質(zhì)表面“真實(shí)”的觸覺。該傳感器陣列采集的神經(jīng)形態(tài)觸覺信號(hào)(TA)與重現(xiàn)的觸覺渲染信號(hào)(TR)相關(guān)性高達(dá)0.68；而在進(jìn)一步的物理感知心理學(xué)實(shí)驗(yàn)中，超過75%的志愿者表示能夠通過重現(xiàn)的觸覺渲染信息可以感知物體表面的粗糙度，初步證明該觸覺傳感器具備實(shí)現(xiàn)觸覺的采集-重現(xiàn)閉環(huán)功能的潛力。所提出的神經(jīng)形態(tài)觸覺傳感器，憑借其低成本、低功耗、易于集成和制備等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模人工觸覺感知系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
 

　　該工作第一作者為課題組李惠敏博士，王凱教授為唯一通訊作者，合作者包括中山大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院李文軍教授和中國(guó)科學(xué)院微電子研究所李偉偉副研究員。中大新聞網(wǎng)訊(通訊員林銳娜)