【用户成果】基于FPGA平台的增强集成“感知-存储”系统的人机交互策略
文摘
2024-08-21 10:00
上海
近年来，利用电子纹身作为可穿戴设备监测人体生理信号已成为一种发展趋势，电子纹身具有结构简单，佩戴舒适，成本低等优点。但是如何低成本，简单工艺下制备出性能稳定的且佩戴舒适的电子纹身依旧是一个挑战。并且，在现有的研究中，大多只是试图感知和识别人体的生理信号，往往忽视了对准确识别动作后的信息存储，这极大的限制了在生活中的应用场景。而忆阻器作为新型的存储电子器件，具有响应速度快，功耗低等优点，并且由于其独特的二端口特性，极易制备大规模交叉阵列，有望突破冯·诺依曼瓶颈。然而，目前大部分研究依旧是基于仿真，并没有真正脱离探针台，实现忆阻器的小型化原位存储，这极大的限制了忆阻器的应用前景。并且面对复杂的应用场景，单一器件实现的功能可能无法满足应用需求。因此，迫切需要结合电子纹身的感知和忆阻器的存储能力，开发一种交互式混合系统，通过小型化设计和修改，有效地将传感和记忆结合，集功能和平衡性能于一体。
近日，山东大学李阳团队在期刊《Advanced Science》上发表了最新研究成果“A Human-Computer Interaction Strategy for An FPGA Platform Boosted Integrated “Perception-Memory” System Based on Electronic Tattoos and Memristors”。研究者建立了一套基于FPGA平台的集成“感知-存储”系统，该系统由电子纹身和数字型忆阻器组成，实现了从信号的感知到识别到存储的完整过程。其中，忆阻器是基于Ag/Ta2O5/IGZO/ITO结构，而电子纹身是基于Ag/Al/贴纸结构。通过调整顺应电流，研究了RRAM器件的多电平电阻开关行为，在限制电流为100 μA时，开关比能高达104。并且得益于特意设计的蛇形结构，电子纹身表现出优异的抗拉伸性，并且能长时间监测人体生理信号，比如表皮肌电信号、眼电、心电、脑电等。如图1a所示，该系统是模拟人体产生动作后大脑记忆的过程，电子纹身感知到肌电信号后，通过上位机的识别得出准确的动作，最后被忆阻器存储。图1b为所设计忆阻器功能层的扫描电镜图像，其主要由约55 nm厚的IGZO层和95 nm厚的Ta2O5层组成。电子纹身特别设计的蛇形结构提供了优异的抗拉伸性，即使拉伸、扭曲或挤压，也能稳定地附着在皮肤上，如图1c所示。结合电子纹身优越的传感性能和忆阻器卓越的记忆能力，设计了集成的“感知-记忆”系统，其框架如图1d所示，该系统由顶部交互识别、控制总线和块驱动三个部分组成。图1e显示了硬件系统的照片，其中忆阻器交叉阵列封装并安装PCB上。该PCB还包含一个ADC芯片、两个DAC芯片、多路跨阻抗放大器、一个忆阻器阵列、一个蓝牙模块和一个表面肌电信号放大和滤波模块，从而实现与FPGA和PC的实时交互。如图2所示，该研究的电子纹身展现出了优异的界面阻抗和稳定性，并且成功的将其应用于表皮肌电信号、眼电信号和心电信号的感知。值得注意的是，AAP还实现了对睡眠、运动和平静三种状态下脑电信号的感知，并对其进行了时频分析，可以看出在运动状态下脑波活跃程度最高。此外，还对脑波信号按照频段进行了提取，运动状态下脑波信号的幅值相比较于平静状态和睡眠状态都要高，也印证了运动状态下大脑活跃程度最高。图3：基于Ta2O5/IGZO忆阻器电学性能测试和显示模块设计
图3测试了基于Ta2O5/IGZO忆阻器的电学性能，该数字型忆阻器在100 μA的限制电流下，开关比高达104。此外，该数字型忆阻器也展示出了优异的稳定性和耐久性。值得注意的是，该研究将其制备成2 × 6的交叉阵列，并且通过FPGA驱动DAC实现小型化原位存储。如图3l展示了ADC实际采集FPGA两端电压信号和DAC实际驱动信号，可以看出忆阻器阻态的变化。为了可视化忆阻器存储内容，设计了一种以编码方式显示的数码管模块，能够实时显示忆阻器当前存储内容，如图3m、n所示。图4展示了将所有模块和忆阻器集成化后，开发了一套“感知-存储”一体化系统。该系统通过ADC采集电子纹身感知的表皮肌电信号，并且通过蓝牙输出给电脑进行神经网络识别；得出结果后通过蓝牙返回结果，并通过DAC驱动忆阻器进行存储。此外，探索了该集成系统在日常生活中的应用场景，包括：（i）通过识别的生理信号实现机械手跟随动作和忆阻器存储显示；（ii）面部肌电紧急呼救和智能家居，并且结合忆阻器的蕴含逻辑实现对音乐界面的控制。综上所述，该研究提出了一个集成的“感知-存储”混合系统，结合了具有可穿戴、紧密附着在皮肤上的电子纹身和具有高开关比的忆阻器，能够实现信号的感知、识别和存储。为了增强AAP电子纹身的信号传输稳定性，抵抗因皮肤形变引起的应力，巧妙地设计了蛇形传感层，并实现了多电极层相互叠加的结构，以提高抗拉强度。实验证明，所提出的AAP可以有效抵消皮肤轻微变形所引起的应力，并能准确跟踪这些变形，可靠地传递生理信号。通过将AAP固定在身体的各个部位，延长时间监测表面肌电、心电、脑电和眼电信号。此外，得益于Ta2O5/IGZO结构的优异性能，所提出的忆阻器具有高开关比和优异的稳定性。结合中器件的优势，实现了对生理信号的采集、识别、存储和机械手控制的演示。通过面部肌电信号实现了对家电的开关的控制和紧急呼救功能，并且结合所制备的存储器联合实现蕴含逻辑功能，进而对音乐的开关控制。所提出的“感知-记忆”集成系统的卓越功能使其在残疾、人机交互以及人类视网膜和大脑模拟等领域具有巨大的潜力。论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202402582*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!
