厦大廖新勤/陈忠团队AM：传感器内融合触觉与逻辑实现准确意图识别

意图主观地驱动人的触摸交互行为，人的外部触觉感受反向识别动作意图。触摸控制意图识别是人机交互(HMI)发展的重要方向，高体验的人机交互需要基于准确的交互意图实现向交互端的准确控制与决策。触摸位置和压力是刻画交互行为的主要特征，为触控意图的识别提供了关键基础。可以同时感知位置和压力的触觉传感器目前大多采用阵列式的结构设计，这带来了系统复杂性、数据冗余、感知离散化等问题。如何建立一种可调节的结构-特征关系，实现触摸特征的传感器内编码，突破结构简化与高精度感知间的矛盾，是实现简洁、高精度触觉感知的严峻挑战。

近期，厦门大学廖新勤、陈忠团队提出了一种集成了传感、计算和逻辑功能的位置和压力智能触觉传感器（LPI触觉传感器）来解决这一挑战。研究团队设计了一种功能分层结构，通过碳基导电材料与异构基底的复合制备了压力传感层和定位层，并通过层间的接触实现了压力刺激与位置刺激的传感器内容和与编码。通过构建的信号解码模式，该触觉传感器两个传感通道实现对触摸特征连续、高分辨率的识别与交互应用。该触觉传感器基于厘米级的器件制备工艺，实现了百微米级的位置分辨率与超越人体皮肤的压力感知限。这种创新的触觉传感器结构设计通过简洁的感知数据实现了高分辨率的触摸特征感知，并在多元化场景中具有创新的意图-交互应用。相关研究成果以“In-Sensor Tactile Fusion and Logic for Accurate Intention Recognition”为题发表于Advanced Materials（SCI一区TOP，IF=27.4）。厦门大学电子科学与技术学院陈忠教授和廖新勤副教授为论文通讯作者，第一作者为厦门大学博士生黄梓健，新加坡南洋理工大学郑元谨教授（卓越集成电路设计中心主任）和北京科技大学廖庆亮教授（长江学者特聘教授、院长）提供重要支持帮助。研究工作得到了国家自然科学基金、福厦泉国家自主创新示范区合作项目、福建省自然科学基金和中央高校基本科研业务费等资助。

图1 LPI触觉传感器的设计与工作机制

LPI触觉传感器具有与神经刺激感知相似的对触摸特征融合与解码的能力，相较于传统的触觉界面具有更少的输出电极和简洁的传感数据。LPI触觉传感器将触摸刺激转化为融合的电信号，并通过信号解码获取触摸特征，并应用在多种人机交互场景中。它由导电材料与异质基底的复合形成分层功能结构，支持对不同触摸刺激的识别。

图2 LPI触觉传感器的性能分析与测试

对LPI触觉传感器的位置、压力感知原理进行分析与等效拓扑结构的建立，验证了提出的传感模型的可行性与可靠性。通过仿真确定压力、位置特征随功能层导电特性的变化关系。验证LPI触觉传感器同步位置和压力融合感知与量化的能力。相较于离散传感阵列，其具有小于400 μm的位置分辨率与75 Pa微小力检测极限。

图3 音量可调节钢琴与力诱导触觉逻辑电路构建

作者展示了LPI触觉传感器用于具有梯度音量的电子钢琴构建，通过解码和分析双通道响应信号，能够得到不同触摸行为的位置和压力特征，并通过两种触摸特征实现对音符及其音量的控制。基于器件的可切割性与结构编码，通过子传感器的可重构互联实现了“或”，“与”，“异或”三种力诱导触觉逻辑电路，并通过特定逻辑控制发光二极管（LED）的开关与亮度。

图4 位置和压力双因素加密的密码矩阵

数字密码矩阵在输入密码时容易由于视觉因素造成密码泄露，触摸压力难以通过视觉观测来知悉。基于重构的S型LPI触觉传感器，通过压力增强与硬件-软件加密，构建了一种分级控制与信息保护密码矩阵，该密码矩阵能够将单一触摸行为转化为位置密码和压力密码来共同实现信息的加密，极大地提升了密码的复杂性，可设计性和安全性。

图5 连续的动作识别与基于CNN的手势识别与智能家居交互

LPI触觉传感器具有一体化的交互界面，可以为连续的滑动动作构建连续的轨迹特征，进而区分离散的点按手势与滑动手势，支撑对交互动作和意图的精确识别。通过与卷积神经网络的结合，构建了一种压力轨迹识别系统，能够区分31种点按和滑动交互手势，对滑动动作的识别准确率高达98.4%，相应的识别动作能够运用在智能家居中实现对设备的控制、用户状态的记录以及拨打紧急电话，具有出色的全天候工作特性。

小结：总的来说，研究团队提出了一种集传感、计算和逻辑于一体的位置-压力智能触觉传感器，实现了高效、超高分辨率的动作-意图交互。LPI触觉传感器基于分层功能结构设计与特征传输、融合和微分驱动传感器内感知，在大大简化数据维度、消除冗余单元的同时，在位置(< 400 μm)和压力(75 Pa)传感中展示了优异的分辨率。得益于压力增强与逻辑协同，研究团队探索了所制备的触觉传感器在电子钢琴、触觉协同逻辑电路、双因素增强加密系统、智能家居交互等多样化人机交互场景中的应用。

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来源：高分子科学前沿

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