觸覺掃描儀：邁向機器觸覺應用的第一步

近日，中山大學電子與信息工程學院（微電子學院）教授王凱團隊與合作者，首次提出了一種基于神經形態觸覺傳感器的觸覺掃描儀并初步實現了類皮膚觸覺特征的觸覺信息采集。相關成果發表于《自然-通訊》。

“這一創新性的技術為實現機器觸覺應用邁出了重要的第一步。”論文通訊作者王凱對《中國科學報》表示，其研究通過開發一種仿生神經形態觸覺傳感器，成功地模擬了生物體的觸覺感知過程，為在虛擬環境中的“產生”真實觸覺體驗奠定了基礎。

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。王凱供圖

隨著元宇宙概念的興起，機器觸覺正在成為未來沉浸式體驗中不可或缺的關鍵技術之一。相較于機器視覺和機器聽覺的成熟發展，機器觸覺仍處于早期起步階段，其所需的觸覺感知設備、計算和渲染工具以及與之相對應的算法和軟件十分匱乏。

為此，王凱團隊聯合中山大學計算機學院教授李文軍和中國科學院微電子研究所副研究員李偉偉，研制出一種基于神經形態觸覺傳感器的掃描設備。他們利用柔性壓電塑料和薄膜晶體管電路，模仿生物機械感受器和神經突觸的功能，完成了機械刺激到類神經脈沖電信號的轉換。

“這種神經形態觸覺傳感器的設計，不僅可以捕捉并識別不同材質表面的觸覺信息，還可以通過人工神經網絡實現了高準確度的表面分類識別，接近人類的觸覺能力。”論文第一作者、中山大學電子與信息工程學院李惠敏博士表示，該研究利用制備的10×10神經形態觸覺傳感器陣列捕捉5種不同類型材質表面紋理的神經形態觸覺信息。

“我們將這些觸覺信息編碼產生驅動執行器表面的觸覺渲染信息，嘗試再現皮膚在虛擬空間重現材質表面‘真實’的觸覺。”李惠敏表示，不同類型材質的神經形態觸覺信號頻譜存在不同的特征峰，其采用人工神經網絡計算的識別率高達93%，表明神經形態觸覺傳感器陣列可采集高質量材質表面特征信息。

“作為邁向機器觸覺廣泛應用的第一步，高保真和高質量數據采集技術至關重要。”王凱表示，其提出的非線性電路模型與脈沖編碼電路，成功仿生了生物神經系統的觸覺處理機制，這使得傳感器在信息處理上更貼近人類的觸覺感知方式。“未來，這一技術可能在虛擬現實、機器人和醫療健康等領域找到潛在應用，為用戶帶來更為逼真的觸覺體驗。”

據介紹，該神經形態觸覺傳感器，憑借其低成本、低功耗、易于集成和制備等特點，為實現大規模神經形態人工觸覺感知系統奠定了堅實的理論和實驗基礎。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51674-2