目標(biāo)信息的高精度識別為機(jī)器在復(fù)雜環(huán)境中的感知和反應(yīng)提供了重要支撐。目前，智能傳感器多采用多功能和高密度集成的方式以獲取更加精確、豐富的多維信息。然而，大多數(shù)多功能集成的傳感集成器件多采用平面集成。這種布局方式忽略了不同位置之間的差異性，會導(dǎo)致這些傳感集成器件收集的信息出現(xiàn)一定程度的時空誤差，無法做到原位多維信息識別，進(jìn)而影響信息識別的準(zhǔn)確性。此外，隨著傳感器件多信息采集的集成度提升，生成的數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長，給數(shù)據(jù)傳輸組件帶來了巨大的壓力。

為了解決這一問題，中國科學(xué)院半導(dǎo)體所王麗麗研究員團(tuán)隊借鑒中樞神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理方式，提出同時一種基于Te的3D垂直異構(gòu)布局多模傳感器的同時空多信號并行傳輸系統(tǒng)（HMPTs），實現(xiàn)了多信號無時空錯位識別和高效并行傳輸(圖1)。該系統(tǒng)進(jìn)行了多功能傳感單元的分布優(yōu)化，完成了四個傳感單元的三維垂直異構(gòu)布局，實現(xiàn)了單個空間位點的多維度信息檢測。此外，該系統(tǒng)可耦合并傳輸多個傳感信號，與單通道單一傳輸系統(tǒng)相比，傳輸效率提高了4倍，功耗降低了1/3。

圖1：同位多信號并行傳輸系統(tǒng)（HMPTs）。（a）人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)的同位感知和多信號并行傳遞策略。（b）同位多信號并行傳輸系統(tǒng)。（c）時域和頻域中的方波示意圖。（d）VR中混合材料塊的材料屬性重建。

作為機(jī)器獲取數(shù)據(jù)的窗口，傳感器件的精度在一定程度上決定了外部物理信號獲取的準(zhǔn)確性。為了實現(xiàn)高精度的、無時空錯位的信號采集，研究人員選擇了四種高性能傳感單元，用于收集溫度、濕度、壓力和光這四種信息（圖2）。若采用平鋪集成架構(gòu)，多功能集成傳感器依舊無法實時正確表示給定空間位置的所有數(shù)據(jù)。為此，研究人員者充分考慮傳感信號的特性以及傳感器件的工作機(jī)制，設(shè)計了四種傳感單元的3維垂直異構(gòu)布局。這種布局方式既保證了四種傳感單元垂直集成于同一空間坐標(biāo)，又避免了四種信號的相互干擾，實現(xiàn)了對同一空間位點多維信息的實時連續(xù)檢測。性能表征也證明表明傳感器具有優(yōu)異的響應(yīng)特性，其中，濕度傳感在小范圍變化下便可實現(xiàn)3個量級的電信號變化，光傳感的響應(yīng)度可達(dá)52500 A/W，溫度傳感探測率為 0.57 Ω /℃，壓力傳感的靈敏度達(dá)24.7 kPa?1。為提高多信號傳輸效率，研究人員將通過傳感器件獲取的電信號進(jìn)行了幅頻轉(zhuǎn)化，得到的各種頻率的方波信號。隨后，通過多個波形的耦合疊加，更好地利用單信道的帶寬，避免大量使用單信道帶來的傳輸壓力。結(jié)果表明四種信號在并行傳輸中相互之間沒有明顯的干擾（圖2）。

圖2：HMPTs中的多信號感知和耦合。（a）HMPTs不同模塊中信息轉(zhuǎn)換的示意圖。（b）HMS中傳感單元的內(nèi)部電阻和外部物理變量的函數(shù)關(guān)系，外部物理變量包含濕度、光強度、溫度和壓力。（c） 在分壓器電路中，輸出電壓與參考電阻和傳感器的內(nèi)阻的關(guān)系。（d）不同傳感信息在頻譜上的分布區(qū)間。H 表示相應(yīng)傳感器的高電阻狀態(tài)，而 L 表示低電阻狀態(tài)。（e） 左：發(fā)生器輸出的方波，當(dāng)光傳感在不同的光強度下。右：由左側(cè)方波傅里葉變換得到的頻域信號。（f）在 25 °C，單個溫度傳感生成的信號頻譜。（g）在 25 °C且無外應(yīng)力下，不同濕度下耦合三種信號的頻域信息對比。（h） 在 25 °C 且無外應(yīng)力下，不同光強度下耦合四種信號的頻域信息比較。 系統(tǒng)的信號傳輸特性表征表明，相同硬件水平下，HMPTs的傳輸效率是單一信號傳輸?shù)?倍，而功耗只有其1/3（圖3）。此外，HMPTs信噪比為44.827 dB，與單一信號傳輸系統(tǒng)的信噪比（46.334 dB）相當(dāng)，說明信號耦合對信號質(zhì)量影響較小，也說明方式的可拓展性。 圖3：HMPTs 的傳輸特性。（a）HMPTs 的光學(xué)照片。（b）HMPTs 示意圖。（c）多信號并行傳輸?shù)妮敵霾ㄐ?。并行傳輸和單一傳輸之間的輸出數(shù)據(jù)比較。（d）并行傳輸與單一傳輸?shù)男蕦Ρ?。（e）功耗與集成傳感單元數(shù)量的函數(shù)關(guān)系。（f）并行傳輸和單一傳輸?shù)男旁氡缺容^。? 本研究制作了由干燥的鋁塊、背部激光照射的PDMS和浸潤的木頭組成混合材質(zhì)塊，作為實驗驗證的材料模型。圖4所示的信號采集結(jié)果表明，平鋪布局的多功能傳感器所獲取的四維信號之間存在5 mm的偏移，對應(yīng)傳感單元的平面分布距離。而采用3D垂直異構(gòu)布局的HMPTs輸出信號沒有明顯的偏差。 圖4：無時空誤差的混合材料識別。（a）混合材料塊，由干鋁、中間的激光照明 PDMS 和濕木組成。左圖和右圖分別顯示了 HMS和平鋪多功能傳感器的傳感單元分布。兩組傳感系統(tǒng)從點 0-14 收集信息，共 15個點。點之間的距離為0.25 mm。分別由（b）HMPTs 和（c）平鋪多功能傳感系統(tǒng)獲得的初始位置的時域和頻域信息。通過（d）HMPTs 和（e）平鋪多功能傳感系統(tǒng)收集每個點的混合材料信息。（f）本研究與以前研究之間的空間誤差比較。 本研究還構(gòu)建了接觸物體和VR交互的場景，作為HMPTs的功能性驗證。如圖5所示，四種維度的信息可以用于傳感系統(tǒng)判斷與物體的接觸狀態(tài)，顯示其在指導(dǎo)機(jī)器人完成對物體的觸摸動作的應(yīng)用價值。當(dāng)器件接觸物體后，HMPTs獲取了豐富的材料信息。配合陀螺儀的輔助定位，HMPTs將真實的材質(zhì)信息參數(shù)化，完成了VR空間中3D混合材料的重建過程，豐富了人機(jī)交互中VR 空間構(gòu)建的方法。 圖5：基于HMPTs的VR交互。（a）VR交互的流程圖。（b）使用HMPTs進(jìn)行接觸姿態(tài)監(jiān)測。第一張圖片是不同接觸狀態(tài)的照片，即Away、Close和Contacted。第二張圖片是在HMS與濕木材接觸期間，HMPTs記錄了4個傳感器信號。（c）用于接觸姿態(tài)監(jiān)測的HMPTs用戶界面。（d）根據(jù)HMPTs捕獲的數(shù)值特征用于VR中的材質(zhì)構(gòu)建。（e）VR中混合材質(zhì)構(gòu)建的對比和（f）三種系統(tǒng)之間的特性比較。三種系統(tǒng)分別基于HMPTs、基于單一傳輸?shù)腍MS和基于單一傳輸?shù)钠戒亗鞲屑?。在VR 中重建3D混合材質(zhì)塊，（g）x 軸，（h）z 軸，（i）y 軸。 小結(jié) 本研究受中樞神經(jīng)系統(tǒng)的啟發(fā)，提出了同為多傳感并行傳輸系統(tǒng)（HMPTs），實現(xiàn)了多信號無時空錯位識別和高效的并行傳輸。首先，3D垂直異構(gòu)布局規(guī)避了多功能器件平面級聯(lián)分布引起的信號時空偏差。其次，基于多信號并行傳輸?shù)腍MPT與同一系統(tǒng)的單通道傳輸相比，效率提高了4 倍，功耗降低了2/3，這說明了在傳感端并行傳輸多個信號的巨大潛力。最終，該系統(tǒng)被用于識別混合材料，并作為人機(jī)交互窗口實現(xiàn)VR中的材質(zhì)重構(gòu)，證實了該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可行性。這一工作為提高機(jī)器感知精度、提高信息傳輸效率提供了經(jīng)驗參考。 該項目研究獲得國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院等項目的資助。相關(guān)工作以“3D Heterogeneous Sensing System for Multimode Parrallel Signal No-Spatiotemporal Misalignment Recognition”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。

審核編輯 黃宇