第一作者：龍之河，林偉康
其他作者：李鵬宇，王標(biāo)，潘其其，楊曉丹，李望維，鐘樹鴻，楊征保
通訊作者：楊征保
通訊單位：香港科技大學(xué)，香港城市大學(xué)
DOI：10.1126/sciadv.adi6633
傳感器陣列在機(jī)器人、航空和醫(yī)療保健等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。然而，目前的傳感器陣列存在以下三個(gè)問題：
1.整個(gè)陣列需要引出行×列或行+列根信號(hào)輸出線連接到解碼設(shè)備；
2.陣列通常基于一整塊基板加工，難以實(shí)現(xiàn)外形和模式的可重構(gòu)以及傳感單元的快速維護(hù)；
3.傳感器陣列的連接網(wǎng)絡(luò)一般無法抵御物理損傷。
為解決現(xiàn)有傳感器陣列面臨的上述問題。香港科技大學(xué)的楊征保教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種受人體聽覺系統(tǒng)啟發(fā)的傳感器陣列（TSM）設(shè)計(jì)技術(shù)。通過為陣列中每個(gè)傳感器單元分配一個(gè)唯一的正弦波頻率作為其標(biāo)識(shí)符，并利用物理感知量調(diào)制正弦波幅值，然后使用共享冗余網(wǎng)絡(luò)連接所有傳感單元進(jìn)行信號(hào)疊加，最后一根信號(hào)線輸出包含所有傳感單元信息的復(fù)合時(shí)域信號(hào)。解碼設(shè)備通過傅里葉變換定位各傳感單元并解析其對(duì)應(yīng)的物理感知量。TSM設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)可以并行處理所有傳感單元信息，具有布線簡(jiǎn)潔，單一信號(hào)引出線，外形、模式可重構(gòu)，單元可快速維護(hù)以及連接網(wǎng)絡(luò)抗破壞等特性。
圖1. TSM的靈感、原理和優(yōu)勢(shì)
(A) 人類聽覺系統(tǒng)與TSM系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。(B) TSM原理示意圖。(C) 簡(jiǎn)單的布線和單信號(hào)線輸出。(D)各種類型的傳感器單元隨意與蛇形網(wǎng)絡(luò)連接線結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)不同三維幾何形狀上的多模感知。(E) 連接網(wǎng)絡(luò)抗損壞和傳感器單元可快速維護(hù)。
圖2. 壓強(qiáng)TSM的單信號(hào)輸出布線和性能特性
(A) 現(xiàn)有的壓強(qiáng)傳感器陣列方案需要行×列或行+列根信號(hào)線連接到解碼設(shè)備。(B) 提出的傳感器陣列方案只需要一個(gè)信號(hào)輸出線。(C) 壓強(qiáng)TSM的原理框圖。(D) 壓強(qiáng)TSM傳感器單元的分層示意圖。蛇形連接線包含共享的供電導(dǎo)線和一根信號(hào)導(dǎo)線。(E) 5×5可拉伸壓強(qiáng)TSM原型。所有的蛇形線形成一個(gè)公共連接網(wǎng)絡(luò)。(F) 10×10不可拉伸壓強(qiáng)TSM原型。(G) 壓強(qiáng)TSM傳感單元的響應(yīng)時(shí)間。(H) 壓強(qiáng)TSM傳感單元的輸出與壓強(qiáng)的關(guān)系。(I) 頻率分辨率間隔比（FRIR）對(duì)壓強(qiáng)TSM傳感單元輸出精度和整個(gè)壓強(qiáng)TSM解碼時(shí)間的影響。
圖3. 壓強(qiáng)TSM的耐損傷和無串?dāng)_能力
(A) 在5×5可拉伸壓強(qiáng)TSM的中心傳感單元（坐標(biāo)3，3）上施加了一個(gè)恒定力。(B) 在多個(gè)不同位置的連接網(wǎng)絡(luò)受損的情況下，同樣的恒定力也被施加在5×5可拉伸壓強(qiáng)TSM的中心單元（坐標(biāo)3，3）上。(C) 在(B)的基礎(chǔ)上，同時(shí)也對(duì)相鄰的單元（坐標(biāo)3，2）和（坐標(biāo)3，4）以及單元（坐標(biāo)5，4）施加了壓強(qiáng)。(D)至（F) 對(duì)應(yīng)于(A)至(C)三種情況的頻譜。(G)至（I) 損傷前后的信號(hào)傳輸路徑。(J)至（L) 用于直觀顯示施加壓強(qiáng)的級(jí)別和位置的3D柱狀圖。
視頻1. 5 × 5 可拉伸壓強(qiáng)傳感器陣列的演示
視頻2.?10 × 10 不可拉伸壓強(qiáng)傳感器陣列的演示
視頻3. ?非均勻分布?jí)簭?qiáng)傳感器陣列的演示
圖4. TSM的外形可重性和多模TSM構(gòu)建
(A) 通過快速組裝TSM溫度傳感單元、TSM壓強(qiáng)傳感單元和蛇形連接線形成的掌形單線雙模TSM。(B) 使用構(gòu)建的雙模TSM抓取空杯，手掌上的壓強(qiáng)分布和四個(gè)位置（帶有白色圓圈）的溫度在下方顯示。(C) 抓取裝有熱茶的杯子，手掌上的壓強(qiáng)分布和四個(gè)位置（帶有白色圓圈）的溫度在下方顯示。(D) 雙模TSM在假肢-皮膚界面的壓強(qiáng)和溫度測(cè)量中的應(yīng)用。(E) 雙模TSM被放置在免撐拐杖的支持表面和腿之間，以簡(jiǎn)單評(píng)估雙模TSM應(yīng)用于假肢-皮膚界面的壓強(qiáng)和溫度測(cè)量。(F) 腿部的壓強(qiáng)分布和五個(gè)位置（帶有白色輪廓）的溫度。
圖5. TSM技術(shù)用于監(jiān)測(cè)機(jī)翼應(yīng)變分布
(A) 用于驗(yàn)證由九個(gè)TSM應(yīng)變傳感單元組成的TSM效果的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。(B) 應(yīng)變TSM的原理框圖和TSM應(yīng)變傳感單元的放大圖。(C) 在機(jī)翼不同變形條件下，九個(gè)TSM應(yīng)變傳感單元在不同位置的應(yīng)變波形。(D) 1號(hào)TSM應(yīng)變傳感單元在機(jī)翼不同形變程度下的測(cè)量值和仿真值。(E) 在開發(fā)的用戶界面中直觀顯示機(jī)翼形變情況。(F) 原始狀態(tài)和受損狀態(tài)下，TSM測(cè)量得到的粗糙應(yīng)變分布。(G) 機(jī)翼向上彎曲時(shí)仿真的應(yīng)變分布。
視頻4. 監(jiān)測(cè)機(jī)翼應(yīng)變的演示
雖然提出的TSM技術(shù)顯示出巨大的潛力，但還是有一些挑戰(zhàn)需要進(jìn)一步解決，包括有限帶寬對(duì)TSM傳感單元數(shù)量的限制，傳感單元難以進(jìn)一步小型化以實(shí)現(xiàn)超高分辨率感知，以及需要在解碼精度和解碼時(shí)間之間做出權(quán)衡。不過總的來說，這項(xiàng)研究為傳感器陣列設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了單根信號(hào)線輸出，且連接網(wǎng)絡(luò)布線簡(jiǎn)單具備抗破壞能力，重要的是陣列外形和模式均可重構(gòu)?？梢灶A(yù)見TSM技術(shù)與自愈材料相結(jié)合可以開發(fā)出魯棒性更強(qiáng)的傳感器陣列。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi6633
香港科技大學(xué)楊征保教授研究團(tuán)隊(duì)專注于壓電材料、傳感器、執(zhí)行器和能量收集領(lǐng)域的研究。團(tuán)隊(duì)持續(xù)招聘博士和博士后，感興趣者可訪問課題組網(wǎng)站并聯(lián)系。
課題組網(wǎng)站：https://yanglab.hkust.edu.hk
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