重庆大学李剑/夏圣垣等《Applied Physics Letters》：基于忆阻器与力学传感器的“感存算一体”力学感知系统

背景介绍

人类触觉系统能够感知、记忆和处理触觉信息，具有低能耗和高效能的特点。为了推动智能机器人和人机交互的进步，人们构建了各种人工触觉系统，它们利用力学传感器、外部存储器和计算单元来实现多样的功能。然而，上述力学传感器在将数据传输到存储单元之前，需要进行模数转换，并通过分离的存储单元和计算单元来进行数据处理，这个过程中的功耗和时间开销是不可忽略的。为了解决这个问题，许多研究都集中在“感知-存储-计算”一体化结构上。在这些研究中，忆阻器受到了广泛关注。但目前关于忆阻器的研究大多集中在“存算一体”，而忽视了传感单元。虽然这种方法解决了传统冯诺依曼架构中频繁数据传输引起的效率问题，但是在力传感数据的模数转换期间产生的功耗和时间仍然需要解决。

文章概述

近期，重庆大学李剑、夏圣垣等研究人员提出了一种“感存算一体”人工触觉系统（smcATS），由一个石墨烯-聚苯乙烯微粒（G-PsMp）力学传感器和一个Ag-Fe₃O₄-ITO忆阻器组成。G-PsMp力学传感器具有优异的灵敏度、响应/恢复速度和稳定性，能够模拟人类的触觉感知。本研究制备了一种具有十字形电极的Ag-Fe₃O₄-ITO忆阻器，能够直接与力学传感器连接，解决了传统忆阻器的微米级电极的局限性，为开发smcATS提供了有效的技术手段。该忆阻器具有良好的开关、耐久和电阻保持性能。研究人员还设计了一种带有电阻状态可视化的电路，通过LED灯来显示忆阻器的电阻状态。当smcATS受到外力时，LED灯会点亮；当外力消失时，LED灯仍然保持亮状态，模拟了人类皮肤受到外力刺激后出现的淤青现象。这一过程无需进行模数转换和分离存储和计算单元之间的数据传输，从而降低了功耗和时间开销。因此，本研究提出的smcATS为创建更高效的人工触觉系统提供了一种新的途径。

该工作以“Integrated sensing–memory–computing artificial tactile system based on force sensors and memristors”为题发表在《Applied Physics Letters》期刊上。论文由重庆大学李剑教授为通讯作者，2020级博士研究生夏圣垣为第一作者。该研究也得到了国家重点研发计划项目《物联网智能感知终端平台系统与应用验证》等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107099

图文导读

图1. 人工触觉系统的示意图

图2. 石墨烯-聚苯乙烯微粒（G-PsMp）力学传感器的结构和性能

图3. 人工触觉系统的结构和性能

图4. 可视化人工触觉系统（绿色LED模拟淤青）

结论

鉴于此，本文提出了一种基于忆阻器与力学传感器的感存算一体人工触觉系统。该系统包括一个石墨烯-聚苯乙烯微粒（G-PsMp）力学传感器和一个Ag-Fe₃O₄-ITO忆阻器。G-PsMp力学传感器具有高线性灵敏度（在0-50 kPa范围内为4.1007 kPa^-1）、快速的响应/恢复速度（18/27 ms）和高稳定性（4000秒的循环）。此外，具有十字形电极的Ag-Fe₃O₄-ITO忆阻器提供了较大的接触面积，使其能够与力学传感器直接集成形成人工触觉系统。在-1.75 V至1.5 V的扫描范围内，smcATS的电阻态转换的阈值力为5 kPa。在100个循环中，置位和复位电压的平均值分别为1.201 V和-1.486 V。置位和复位电压的标准差较小，表明稳定的开关特性。人工触觉系统还具有良好的耐久性（100个循环）和电阻保持性（10³ s）。值得注意的是，这个系统避免了模数转换和分离存储和计算单元之间的数据传输，因此，本文提出的集成感测-存储-计算的方法为创建更复杂和响应更快的人工触觉系统提供了一种新途径。未来，如果传感器和忆阻器阵列能够很好地结合，那么可以通过低功耗实现更复杂的感测和计算功能，从而更好地模仿人类触觉系统。

团队介绍

本文作者团队来自于重庆大学输变电装备技术全国重点实验室，团队面向输变电装备智能化和安全稳定运行，持续开展了输变电设备绝缘在线监测的新型传感器及电气设备状态评估、微纳能源收集技术、高性能天然酯绝缘油、高导热材料、超疏水涂层等方向的基础理论与关键技术研究，近年来主持并完成了多项国家级、省部级以及电网企业的科研项目。

作者介绍：

李剑，教授、博士生导师，重庆大学副校长，国家杰出青年科学基金获得者，教育部新（跨）世纪人才，重庆市巴渝学者特聘教授，国家重点研发计划首席科学家，《IEEE Trans. DEI》副编辑，《高电压技术》编委，IEEE-DEIS理事，IEEE-CEIDP理事，CIGRE工作组委员。长期从事输变电设备智能化与电工绝缘新材料研究，涉及智能传感技术、环保与纳米液体电介质及应用、超疏水纳米电绝缘材料、热电-摩擦电取能材料及器件、输变电设备局部放电等研究方向。作为项目负责人主持了国家重点研发计划1项，国家973项目课题两项、国家863主题项目课题1项、国家自然科学基金4项、省部级科研项目7项和多项重大横向课题。获部国家科学技术奖二等奖2项、省级科学技术一等奖3项、二等奖3项。

夏圣垣，重庆大学电气工程学院2020级博士研究生，重庆大学青年五四奖章获得者，连续两年获博士研究生国家奖学金（2021年、2022年）。以第一作者（含共一）发表SCI论文9篇、EI论文1篇；授权/受理发明专利4项；主持国家级大学生创业实践项目1项，重庆市博士研究生科研创新项目1项。

团队合影 来源：作者团队

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107099