01

內(nèi)容概覽

現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)

線性與穩(wěn)定難兼顧：傳統(tǒng)水下傳感器（如電容式）線性范圍?。▋H10kPa）或穩(wěn)定性差（離子型易受水干擾），無法適配高壓/湍流水下環(huán)境。

信號(hào)處理復(fù)雜：現(xiàn)有神經(jīng)形態(tài)傳感器需復(fù)雜算法，難滿足水下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。

文章亮點(diǎn)

仿生高性能：受魚類側(cè)線系統(tǒng)啟發(fā)，用微磁珠（NdFeB-PDMS）+交替線圈設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)200kPa壓力高線性響應(yīng)（R2=0.997），自激發(fā)磁動(dòng)作電位簡(jiǎn)化信號(hào)處理。

水下穩(wěn)定：經(jīng)海洋水池/公海驗(yàn)證，抗水流/壓力干擾，信號(hào)保真。

應(yīng)用精準(zhǔn)：游戲控制準(zhǔn)確率92.19%，水下物體識(shí)別94.71%（機(jī)器學(xué)習(xí)+SNN）。

應(yīng)用場(chǎng)景

水下機(jī)器人：導(dǎo)航避障、目標(biāo)識(shí)別。

海洋監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海水壓力/流速。

人機(jī)交互：游戲控制、VR觸覺反饋。

總結(jié)

在本研究中，作者提出了一種仿生神經(jīng)形態(tài)軟壓力傳感器，旨在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的水下性能和簡(jiǎn)化的信號(hào)處理。這是通過微磁球、微流體通道和交替線圈連接的創(chuàng)新整合實(shí)現(xiàn)的。該傳感器在施加力時(shí)表現(xiàn)出自激發(fā)行為，對(duì)壓力變化的響應(yīng)具有高線性度（R2 = 0.997），可達(dá)200 kPa。所提出的機(jī)制通過其交替線圈設(shè)計(jì)產(chǎn)生明顯的磁性動(dòng)作電位，從而實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)處理。這種人工神經(jīng)感受器在游戲控制應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了92.19%的準(zhǔn)確率，在水下物體識(shí)別中使用機(jī)器學(xué)習(xí)達(dá)到了94.71%的準(zhǔn)確率。此外，該傳感器在實(shí)驗(yàn)海洋水池和開放海域環(huán)境中進(jìn)行了驗(yàn)證，確認(rèn)其在水下機(jī)器人、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海洋工業(yè)應(yīng)用中的潛力。

02

圖文簡(jiǎn)介

圖1. 生物啟發(fā)式人工神經(jīng)元的設(shè)計(jì)與工作機(jī)制。a) 水生脊椎動(dòng)物側(cè)線系統(tǒng)中的生物神經(jīng)元與作者的仿生人工神經(jīng)元設(shè)計(jì)之間的結(jié)構(gòu)比較。b) 電子毛細(xì)胞的工作機(jī)制，顯示通過雙微型磁球產(chǎn)生壓力誘導(dǎo)的磁動(dòng)勢(shì)。c) 人工神經(jīng)元系統(tǒng)生成的獨(dú)特對(duì)稱信號(hào)配置。

圖2. 人工神經(jīng)脈的表征。a) 使用解析模型驗(yàn)證12圈螺旋線圈的模擬與實(shí)驗(yàn)疊加的磁動(dòng)作電位（mAP）。b) 組合mAP序列編碼刺激信息：施加的壓力（上）及相應(yīng)的誘發(fā)mAP（下）。c) 使用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量不同磁濃度的微磁球的剩余磁性。誤差條表示六個(gè)獨(dú)立制造批次的標(biāo)準(zhǔn)偏差（n = 6）。插圖：23體積分％微磁球的掃描電子顯微鏡圖像。d) 微磁球通過12圈螺旋線圈位移時(shí)峰-峰電壓（Vpp）與速度之間的線性關(guān)系。誤差條表示三個(gè)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)偏差（n = 3）。e) 通過改變氣柱體積調(diào)節(jié)人工神經(jīng)脈的靈敏度。f) 在具有19 μL氣柱的人工神經(jīng)脈設(shè)備中，微磁球的移動(dòng)距離與施加壓力之間存在強(qiáng)線性相關(guān)性（R2 = 0.997），在不同加載速率下測(cè)得。

圖3. 機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)的游戲控制與水下物體識(shí)別。a) 通過不同的磁鐵排列實(shí)現(xiàn)的可定制化平均精度（mAP）配置。灰度顏色代表不同的磁化狀態(tài)。具有相同剩磁（62–62 emu cm?3）的雙磁鐵產(chǎn)生對(duì)稱模式（頂部），而六個(gè)具有不同剩磁（62–62–21–21–36–36 emu cm?3）的磁鐵形成獨(dú)特的非對(duì)稱模式（底部）。b) 用于俄羅斯方塊控制的2 × 2人造神經(jīng)元陣列，其中四個(gè)神經(jīng)元簡(jiǎn)單串聯(lián)連接，分別對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)方向。c) 使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行游戲控制器識(shí)別任務(wù)的平均混淆矩陣。d) 使用配備薄膜人造神經(jīng)元的機(jī)器人抓手進(jìn)行水下物體識(shí)別的演示。e) 修改后的薄膜人造神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)。f) 用于水下識(shí)別的物體匯總。g) 基于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水下物體識(shí)別的平均混淆矩陣。

圖4. 在實(shí)驗(yàn)和開放海域環(huán)境中對(duì)閥門操作的穩(wěn)健水下檢測(cè)。a) 集成于軟抓手中的軟人工神經(jīng)感受器，安裝在自主水下航行器（AUV）上，并在實(shí)驗(yàn)海盆中測(cè)試閥門操作。b) 在新加坡圣約翰島進(jìn)行的開放海域測(cè)試。c) 軟抓手結(jié)構(gòu)和閥門的示意圖。d) 用于水下信號(hào)采集和傳輸?shù)亩ㄖ齐娐泛退惴?。e) 閥門操作期間檢測(cè)到的信號(hào)。f) 關(guān)鍵階段的詳細(xì)信號(hào)響應(yīng)：i) 碰擊，ii) 抓取，iii) 釋放，iv) 離開。

03

文獻(xiàn)來源

Yang, J.et al.Self-Spiking Linear Neuromorphic Soft Pressure Sensor for Underwater Sensing Applications.Advanced Materialsn/a, e05486. doi:10.1002/adma.202505486

審核編輯 黃宇