Ученые Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее объединили искусственные синапсы с передовыми датчиками, чтобы имитировать свойства кожи человека, в новом исследовании, опубликованном в журнале Advanced Functional Materials.

Вдохновленные человеческой кожей , исследователи из Школы материаловедения и инженерии разработали электронное устройство, способное обнаруживать механические раздражители для обработки информации , включая распознавание жестов и рукописного ввода, при сверхнизком энергопотреблении.

В биологических нервных системах сенсорные органы, такие как кожа, могут обнаруживать стимулы, а генерируемые сигналы могут затем передаваться в человеческий мозг через нейроны и синапсы для обработки и, в конечном итоге, ответа.

«Люди могут чувствовать давление, боль и взаимодействовать с окружающей средой через физический контакт через кожу», — говорит профессор Дьюэй Чу, ведущий автор исследования.

«Предполагается, что наша система имитирует функциональность кожи человека, и было продемонстрировано несколько возможностей, подобных коже».

При дальнейшем развитии эта технология может найти применение в ряде областей, включая уход за пожилыми людьми, мониторинг экстремальных видов спорта и захват движения.

Что такое электронная кожа?

Искусственная кожа становится революционной сенсорной технологией для удовлетворения растущих потребностей в мониторинге жизненно важных органов в режиме реального времени, включая артериальное давление, температуру и уровень кислорода.

Помимо использования в медицинских учреждениях, электронные скины можно использовать для измерения состояния здоровья спортсменов и людей, работающих в опасных условиях.

Недавно были разработаны растягиваемые датчики деформации, имитирующие восприятие кожи человека путем измерения давления, натяжения и веса. Существующие датчики могут обнаруживать и преобразовывать внешние раздражители в электрические сигналы .

«Проблема в том, что большинство этих датчиков не имеют возможности фактически обрабатывать сигналы. Для этого потребуется еще один процессор, который будет потреблять много электроэнергии», — говорит доктор Тао Ван из UNSW, соответствующий автор. бумага. «Поэтому без функции обработки одни только эти датчики не могут соответствовать сенсорной функции кожи человека».

Объединение датчиков с нейроморфными вычислительными устройствами

Чтобы преодолеть ограничения существующих искусственных систем восприятия, команда исследователей обратилась за вдохновением к нервной системе человека.

Биологические синапсы — это мосты, соединяющие нейроны по всему телу — они играют ключевую роль в памяти мозга и функциях обучения. Для профессора Чу и доктора Шухуа Пэна из Школы машиностроения и производства эти биологические системы сыграли ключевую роль в разработке этой новейшей технологии.

« Электрический ток , питающий наше устройство, соответствует силе связи между двумя нейронами. Мы применили электрические стимулы для управления проводимостью устройства, чтобы имитировать синаптическое поведение человека», — говорит профессор Чу. Использование искусственных нейронов таким образом известно как нейроморфные вычисления.

Полная система состоит из нейроморфного вычислительного устройства в сочетании с высокочувствительными датчиками, разработанными доктором Пэном.

«Датчики очень чувствительны к любому приложенному напряжению, и при различных деформациях будут генерироваться различные электрические сигналы», — говорит профессор Чу. «Если вы объедините наше устройство с датчиками, оно будет потреблять гораздо меньше энергии, станет умнее и энергоэффективнее».

Датчики могут обнаруживать тонкие движения человека и отслеживать физиологические сигналы, включая пульс на запястье, дыхание и вибрацию голосовых связок, а нейроморфное вычислительное устройство может обнаруживать стимулы и интерпретировать сенсорную информацию для распознавания жестов.

Многообещающий потенциал и будущая работа

«Эта работа предлагает новые идеи в разработке искусственных синапсов и датчиков для обработки и распознавания информации для нейроморфных вычислений и приложений искусственного интеллекта», — говорит профессор Чу.

«Например, он предлагает многообещающий потенциал для развития умных носимых технологий, которые могут обнаруживать движения тела или могут быть применены к мягкой робототехнике и протезированию».

Хотя это исследование знаменует собой важный прогресс в разработке электронных скинов, еще многое предстоит сделать, прежде чем мы начнем использовать его в нашей повседневной жизни.

В то время как система восприятия может распознавать простые жесты с высокой вероятностью успеха, такие как большой палец вверх или кулак, некоторые сложные жесты трудно идентифицировать, что требует дальнейшей модификации материалов и структур устройства.

«Теперь мы хотим сосредоточиться на улучшении возможностей системы восприятия и обработки информации, а также на дальнейшем расширении применения тактильного и визуального восприятия», — говорит профессор Чу.