中大新聞網(wǎng)訊（通訊員林銳娜）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)國家重點實驗室和廣東省顯示材料與技術(shù)重點實驗室王凱教授課題組在應(yīng)用于機器觸覺的神經(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的需求，機器觸覺應(yīng)運而生。然而，與發(fā)展了近半個世紀(jì)的數(shù)字?jǐn)z像頭和麥克風(fēng)等機器視覺和聽覺設(shè)備相比，機器觸覺設(shè)備仍處于非常初級階段，其所需的觸覺感知設(shè)備、計算和渲染工具以及與之相對應(yīng)的算法和軟件十分匱乏。作為邁向機器觸覺廣泛應(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)備并初步實現(xiàn)了類皮膚觸覺特征的觸覺信息采集（圖1）。
信號與系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計是定義一個新領(lǐng)域的前提。與傳統(tǒng)的力觸覺信號與系統(tǒng)不同，類人類皮膚的機器觸覺系統(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，信號特性及其處理方式也大不相同，其基礎(chǔ)信號是神經(jīng)尖峰脈沖（Spike）而非傳統(tǒng)的數(shù)字和模擬混合信號；其計算范式是基于矩陣乘法的模擬計算，而非基于布爾邏輯的馮諾依曼數(shù)字計算。
圖2 機器觸覺的信號與系統(tǒng)以及與人類觸覺神經(jīng)系統(tǒng)的對比
因此，在神經(jīng)形態(tài)觸覺傳感器的設(shè)計上，課題組借鑒了生物觸覺感知傳入神經(jīng)系統(tǒng)的機械感受器、生物突觸和神經(jīng)元的工作機制，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械感受器，實現(xiàn)機械力與電學(xué)信號的轉(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信號頻譜存在不同的特征峰，其采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)計算的識別率高達(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”的觸覺。該傳感器陣列采集的神經(jīng)形態(tài)觸覺信號（TA）與重現(xiàn)的觸覺渲染信號(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)實驗中，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，為實現(xiàn)大規(guī)模人工觸覺感知系統(tǒng)奠定了堅實的理論和實驗基礎(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)計算機學(xué)院李文軍教授和中國科學(xué)院微電子研究所李偉偉副研究員。
