复旦大学开发基于电容式压力传感器阵列的传感器内触觉计算系统
2025-10-19 15:18:42 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
复旦大学研究人员开发了一种基于柔性电容式压力传感器阵列的传感器内触觉计算系统。该系统通过多个互联的传感器网络，执行原位模拟乘法和累加操作，同时实现触觉感知和计算功能。
触觉信息的实时感知和处理是提升人工电子皮肤（e-skin）性能的必要条件，进而为触觉智能与物体操控领域带来前所未有的创新应用。然而，传统的触觉电子皮肤系统因传感器与处理单元物理分离，在决策过程中需进行冗余的数据传输与转换操作，最终导致较高的传输延迟与功耗。
据麦姆斯咨询报道，近期，复旦大学研究人员开发了一种基于柔性电容式压力传感器阵列的传感器内触觉计算系统。该系统通过多个互联的传感器网络，执行原位模拟乘法和累加操作，同时实现触觉感知和计算功能。相关研究成果以“Capacitive in-sensor tactile computing”为题发表在Nature Communications期刊上。
图1a为基于柔性电容式压力传感器阵列和电子开关的传感器内触觉计算系统的原理图。该柔性电容式压力传感器阵列包含上下基底层、上下电极层，以及传感层。在该传感器阵列中，每个传感器像素的上电极均连接至两个独立电开关（T1和T2），所有传感器像素的下电极均接地。阵列中的多个压力传感器像素通过各自对应的T2开关互联，形成电容式传感器内触觉计算子区域（如图1a中的虚线框所示）。需引入固定电容（C₀）等额外电子元件，以读出电容式传感器内触觉计算子区域的计算结果。
图1：电容式传感器内触觉计算系统
复旦大学研究人员设计和制造了柔性电容式压力传感器阵列，并验证了所提出的电容式传感器内计算系统的有效性。
图2：柔性电容式压力传感器阵列的性能表征
为实现特定的感知计算任务，该柔性电容式压力传感器阵列可被配置为传感器内触觉计算内核（图3a）。该内核包含9个相邻的压力传感器像素（C₁至C₉），且每个像素对应一组电压偏置（V₁至V₉）；触觉计算内核可实时检测投射至阵列的触觉刺激，同时生成输出电压作为计算结果（当采用固定电容C₀作为读出元件时）。
图3：基于柔性电容式压力传感器阵列的传感器内触觉计算
图4：传感器内触觉计算功能用于二值降噪与边缘检测
面向模拟刺激的传感器内触觉计算
在多数场景情况下，实际检测对象通常具有不规则表面与复杂纹理结构，其会将模拟触觉刺激输入至柔性电容式压力传感器阵列。例如，当猫爪接触传感器阵列时，因猫爪不同区域的高度与物理属性存在差异，会产生多种刺激强度的触觉输入信号（图5a）。为验证传感器内触觉计算系统处理模拟触觉刺激的能力，研究团队设计了一个50×50像素的爪状模具作为检测对象（图5b）。该爪状物体被简化为周边扁平区、毛发区、趾垫与掌垫四个刺激区，各自分别向传感器阵列提供0kPa、0.8kPa、1.6kPa和2kPa的触觉刺激输入。此外，每个刺激区均包含若干随机噪声点，这些噪声点可能由附着于猫爪的异物（如沙粒）导致。为简化分析，假设这些噪声点的触觉刺激为0.8kPa、1.6kPa和2kPa三者之一。
图5：传感器内触觉计算功能实现模拟降噪
综上所述，该研究人员开发并验证了一种基于柔性电容式压力传感器阵列的传感器内触觉计算系统。该系统利用多个互联的压力传感器网络，通过两个物理充电与电荷共享过程实现触觉乘积累加（Multiply-Accumulate）操作，进而具备传感器内触觉计算能力。研究人员制造了高灵敏度、高可靠性的柔性电容式压力传感器阵列，并验证了该传感器内触觉计算系统用于低阶触觉感知处理任务，包括模拟降噪与边缘检测。在模拟降噪与边缘检测任务中，该系统的最大功耗分别为493µW和492µW，较传统的混合电子系统降低超22倍。这一高效节能的传感器内触觉计算系统，为未来智能应用领域重塑边缘计算提供了潜在的发展路径。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60703-7
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