【用户成果】基于力学传感器和忆阻器的传感-记忆-计算一体化人工触觉系统
文摘
2024-07-03 10:00
上海
人类触觉系统集触觉传感、记忆和计算于一体，在处理复杂任务时具有低功耗、高效率等优点。能够模拟人类触觉系统的人工触觉系统有助于类人机器人和人机交互的发展。作为人工触觉系统的重要组成部分，灵敏度高、结构简单的压阻力传感器日益受到关注。敏感材料主要包括二维材料和具有纳米结构的金属。这些高性能敏感材料大大提高了力传感器的灵敏度，从而使传感器能够模拟人类的触觉传感能力。此外，为了实现耐人寻味的功能，人们基于力传感器和外部存储器及计算单元构建了各种人工触觉系统。然而，这些力传感器在将数据传输到存储单元之前需要进行模数转换(ADC)，然后通过在分离的存储单元和计算单元之间反复传输数据来进行数据处理。这一过程所消耗的功率和时间不容忽视。也就是说，分离的力传感、存储器和计算会导致高功耗和高延迟。为了解决这个问题，许多研究都集中在传感-存储器-计算的集成结构上。在这些研究中，基于非易失性忆阻器的存储器受到广泛关注，因为忆阻器具有非易失性、可扩展性强、功耗低和保持时间长等优点。通过改变输入电压，非易失性忆阻器的电阻可以在低阻态(LRS)和高阻态(HRS)之间反复调节，为传感-记忆-计算的集成结构提供了物理基础。然而，目前有关忆阻器的研究大多只关注内存计算，而没有考虑传感单元。此外，忆阻器是由电压调节的，这意味着它可以直接处理力传感器获取的模拟信号。因此，利用力学传感器和忆阻器开发集传感-记忆-计算于一体的人工触觉系统很有意义。最近，人们开发了许多人工触觉系统，利用力传感器与外部存储器和计算单元相结合来模拟人类触觉。然而，力传感、内存和计算的分离式结构导致了高功耗和明显的延迟，这对开发高效的人工触觉系统构成了巨大挑战。在这项研究中，重庆大学李剑教授团队提出了一种由石墨烯-聚苯乙烯微粒子(G-PsMp)力学传感器和Ag-Fe3O4-ITO 忆阻器组成的集成传感-记忆-计算人工触觉系统(smcATS)。带有十字形电极的 Ag-Fe3O4-ITO忆阻器的设计解决了传统记忆晶体管中微米级电极无法与力传感器直接连接的问题。此外，smcATS 还具有出色的切换、耐力和阻力保持特性。在此基础上，开发了可视化 smcATS，它能更好地模拟强大外力造成的皮肤瘀伤。最重要的是，smCATS 无需在独立的存储器和计算单元之间进行模数转换和数据传输，为开发更高效的人工触觉系统提供了另一种视角。相关研究以“Integrated sensing–memory–computing artificial tactile system based on force sensors and memristors”为题发表在Applied Physics Letters期刊上。FIG. 1. Schematic diagram of the integrated sensing-memory-computing artificial tactile system (smcATS), which includes force sensors and memristors. This system is inspired by the human tac[1]tile system that consists of tactile receptors, nerves, and the brain.FIG. 2. Structure and properties of the graphene–polystyrene microparticle (G-PsMp) force sensor.FIG. 3. Structure and properties of the integrated sensing–memory–computing artificial tactile system (smcATS).FIG. 4. The visualized smcATS.总之，作者开发了一种由石墨烯-聚苯乙烯微粒子(G-PsMp)力传感器和 Ag-Fe3O4-ITO 记忆晶体管组成的集成传感-记忆-计算人工触觉系统(smcATS)。G-PsMp 力传感器具有高线性灵敏度(0-50 kPa范围内4.1007 kPa-1)、快速响应/恢复速度(18/27 ms)和高稳定性(4000s循环)。此外，带有十字形电极的 Ag-Fe3O4-ITO 忆阻器提供了更大的接触面积，使其能够与力传感器直接集成，形成smcATS。在-1.75至1.5V的扫描范围内，smcATS 的电阻态转换表现出5kPa的阈值力。在 100 个周期内，设定电压和复位电压的平均值分别为1.201 V和-1.486V。smcATS 还具有良好的耐久性(100次循环)和电阻保持特性(1000秒)。在此基础上，开发了一种带有电阻状态可视化电路的可视化smcATS。当对 smcATS 施加足够的外力时，可视化电路中的 LED 灯就会亮起，模拟外力刺激下皮肤瘀伤的感觉。这一过程无需 ADC，也无需在分离的存储器和计算单元之间进行数据传输。因此，本研究提出的传感-内存-计算一体化方法可为创造更复杂反应更灵敏的人工触觉系统铺平道路，从而更好地模拟人类触觉系统。未来，如果能将传感器和忆阻器阵列很好地结合起来，就能通过低功耗实现更复杂的传感和计算功能。Integrated sensing–memory–computing artificial tactile system based on force sensors and memristorshttps://doi.org/10.1063/5.0149271*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!
