柔性触觉神经形态设备正成为推动人机协作发展的重要动力。然而，人工智能在实现并超越人类智能方面仍面临诸多障碍。本文提出一种自供电的可拉伸三维远程触觉装置（3D- RTD），该装置通过导电-电介质异质结构实现外部机械运动的景深（DOF）感知。该装置能精确建立外部主动物体 DOF 运动与双极性符号、频率、振幅等感觉电位信号之间的逻辑关联。基于静电理论和多物理场建模揭示了其感觉机制，并通过具有微/宏观尺度交互的人工-生物混合系统验证了性能。本研究通过大鼠实验系统性地证明了3D- RTD 作为盲人障碍物规避贴片的可行性。这项工作为超越生物功能、迈向类脑智能新模态的多模态神经形态设备开辟了道路。

图1.生物与人工感觉运动系统的示意图

(A) 生物感觉运动系统。(i至iii) 当皮肤表面受到接触刺激时，会生成兴奋性电位，这些电位沿感觉神经传导并突触连接至脊髓/大脑。(iv至vi) 随后，动作电位通过运动神经传递至神经肌肉接头，最终引发相应活动。(B) 人工增强型感觉运动系统。(i至iii) 在人工三维实时传感系统(3D-RTS)中， DOF 机械刺激会触发三维 RTD 通过静电极化和电子转移产生感觉电位尖峰。(iv至vi) 接着，动作电位经由中央集成电路传递，激活肌肉收缩。

上图为西西智研制作

图2.3D- RTD 的实验与仿真结果

(A)柔性可拉伸自供电3D- RTD 的光学显微镜与扫描电子显微镜图像。(B)示意图展示3D- RTD 的工作原理，通过增强外部天然带电活性物体与构建的导电-介电异质结构之间的相互作用。(C)采用 COMSOL 进行的有限元仿真，呈现带电活性物体靠近或远离时3D- RTD 内部三维电场强度变化及对应的二维电场线。活性物体运动模式与对应电位信号的关系：(D)邻近-分离运动，(E)可变端部高度，(F)可变运动频率。需注意：除非特别说明，3D- RTD 在所有测试中均通过电极接地。(C) COMSOL 仿真中设置的电场线总数为15条，以便更好地呈现传感变化。(PVDF)所有实验均采用天然负电荷薄膜作为活性物体，未进行电极化处理。(D)至(F)中，活性物体沿垂直于3D- RTD 表面的方向运动，运动频率代表单次运动时间的倒数。(G至I)四通道电极的3D传感功能及3D- RTD 相关编码

图2. 人工三维 TDS 集成于神经肌肉系统

(A) 系统I（三维实时刺激系统）示意图：通过附着于大鼠背部的三维 RTD 获取 DOF 机械运动；系统II（刺激与力测量系统）：将系统I的感测电位同步传输至经放大处理的神经生理刺激器。正向信号传递至刺激电极1以激发大鼠胫骨前肌；负向信号传递至刺激电极2以激发腓肠肌。(B) 大鼠实验条件的数字图像：刺激电极1和2分别与腓总神经及胫神经相连。(C) 同步获取的活体大鼠感测信号与足部位置响应关系图，分别对应无刺激无响应（零）、物体接近时踝关节屈曲（+）、物体分离时踝关节伸展（−）三种状态。(D) 上述三种条件下对应肌电图信号的关系图。(E) 连续信号曲线图展示感测电位与后肢伸展或屈曲肌肉收缩力的关系。(F和G) 活动物体运动高度与频率对应力响应的量化分析

图3.基于三维实时空间（3D-RTS）的避障应用

(A) 盲人避障中传统方法与本方法的对比，(B) 通过脑活动与运动反馈验证3D- RTD 在 DOF 感知中的可行性，(C) 实验场景正面示意图：大鼠在昏暗平台中奔跑，(D) 刺激后体感诱发电位（SEP）记录：单通道八次试验的原始轨迹，(E) 平台底视图数字图像显示目标大鼠实时足迹，黑色标记指示障碍物位置。放大图对比正常/异常大鼠体位方向及完整/不完整足迹，(F) 步态分析定量结果：足迹面积与摆动速度。灰色阴影区域代表进入与离开感性区域。

该研究成功研制出一种可拉伸的自供电三维电阻温度检测器（3DRTD），该器件凭借其导电-电介质异质结构，能在三维空间中精准识别活动物体的 DOF 运动。其可逻辑识别近-远距离运动，测距范围达20厘米，频率覆盖0.0625至5赫兹。基于静电理论与 COMSOL 有限元分析揭示了相关工作机制，并通过调控异质材料的介电常数优化了传感性能。基于三维 RTD 在信号传输与连接中作为虚拟突触的特性，我们未来的研究目标是深入探究导电-电介质异质结构的相互作用机制，实现更接近真实突触的功能。通过构建人工-生物集成触觉系统，验证了三维 RTD 作为神经形态器件的可行性，该系统协同实现了虚拟与生物突触电子/离子的微观交互，以及外部 DOF 机械运动与大鼠运动反馈的宏观交互。此外，在障碍物规避场景中，搭载该装置的大鼠展现出感觉-知觉-交互的神经过程，验证了三维 RTD 作为神经接口贴片在感官替代与知觉增强方面的实际应用价值。该设备与混合系统均具备高感官精度，使其在交互安全方面尤为理想。预计3D- RTD 将与生物触觉相辅相成，并能显著增强其感知模式。该设备可通过数字印刷技术轻松集成并实现经济高效的批量生产，这对人机交互人工智能（HI-AI）而言是重大突破。该概念可进一步促进一系列应用的开发，特别是在基于类脑与混合智能的交互领域。

本文内容来自期刊 Sci. Adv. 8, eabo5314 (2022) 26 October 2022. 以An artificial remote tactile device with 3D depth-of-field sensation为题的文章。

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