投稿邮箱：wedotech2025@163.com投稿电话：16622153402（微信同号）
随着可穿戴技术和柔性边缘智能的快速发展，面向实时、高通量触觉感知的并行传感与处理需求日益迫切。然而，传统触觉系统中传感器与处理器通常彼此分离，触觉信息需以串行方式采集，并将模拟信号转换为适合数字处理的数据后再进行分析，这种“感知—转换—计算”分离的架构在面对大规模触觉数据时往往带来较高的能耗与时延，难以满足智能可穿戴设备和柔性边缘人工智能对高效、实时响应的要求。因此，亟需发展新的计算范式以实现低功耗、高效率的触觉感知与认知。受生物系统启发的传感内计算为解决这一问题提供了新的思路。神经科学研究表明，生物皮肤中的Merkel细胞作为重要的触觉感受终端，不仅能够感知轻触刺激，还在边缘和纹理等复杂压力信息的识别中发挥关键作用。类似于受视网膜启发发展的类视网膜计算，借鉴Merkel细胞工作机制构建类皮肤计算，有望突破传统压力传感系统在能效和时延方面的限制，并为未来智能可穿戴技术和柔性边缘AI的发展提供新的实现路径。
南京大学缪峰教授、梁世军教授提出了一种受皮肤Merkel细胞启发的海量并行传感内类皮肤计算方案，用于实现智能触觉感知。该方案基于频分复用机制，利用多频连续时间模拟读出信号实现触觉信息的同步感知与并行处理。在硬件上，作者将32×32柔性电容式压力传感阵列与忆阻交叉阵列网络集成，实验上实现了对完整及破损“NJU”压力图案的一次性同步感知与处理；进一步通过将电容传感器与两个忆阻交叉阵列连接，实现了对复杂压力图案纹理特征的并行提取，从而在传感端显著压缩大面积触觉信息。整体而言，该工作为面向智能机器人和可穿戴技术的高效触觉感知提供了一种新的实现范式。该文章以“Massively parallel in-sensor skinomorphic computing”为题发表在国际顶级期刊Nature Communications 上。
图1-类Merkel细胞启发的传感内并行计算框架：图1主要建立了全文的核心思想，即将生物皮肤中Merkel细胞与神经元协同完成触觉感知和信息处理的机制，映射为一种类皮肤的传感内并行计算架构。该方案以柔性电容式压力传感阵列为前端，通过压力引起的电容变化表征触觉输入，再结合频分复用方式，将多频连续时间模拟信号同时加载到阵列行端，使压力读取与矩阵运算在同一物理过程中同步完成。其本质是利用电容阵列本身的物理属性实现矩阵—矩阵乘法，从而把传统分离式“感知—转换—处理”流程前移到传感端内部。该图的关键意义在于说明，这一架构并非仅提升读取速度，而是从机制上实现了触觉信息的海量并行感知与原位处理。图2-柔性电容压力传感阵列的器件基础与性能验证：图2主要展示了用于实现类皮肤计算的32×32柔性电容压力传感阵列及其基本性能。器件采用PI基底、Au底电极、具有规则柱状微结构的PDMS介质层、PEDOT:PSS顶电极以及封装层组成，其中介质层的微结构设计保证了阵列在大面积范围内具有稳定且一致的压力响应。实验结果表明，该阵列在较宽压力范围内均能产生明显且近似线性的电容变化，同时1024个像素单元表现出较好的响应均匀性；长时间循环测试则显示器件在测量窗口内没有明显退化。该图说明，所构建的柔性压力阵列不仅具备实现触觉采集的基本能力，更满足后续大规模并行传感内计算对一致性、稳定性和可重复性的要求。
图3-类皮肤传感内并行感知与图案修复的硬件实现：图3将前述计算框架推进到具体硬件实现层面，验证了柔性电容阵列与1T1R忆阻阵列级联后对压力图案的并行读取和处理能力。通过将忆阻阵列编程为单位矩阵，系统可以对加载在传感阵列上的完整“NJU”压力图案进行一次性并行读取，实验输出与仿真结果在频域上保持较好一致。进一步地，当输入图案存在缺损时，通过将忆阻阵列编程为训练得到的恢复权重矩阵，系统能够在传感端直接完成破损图案的修复重构。该图的意义在于表明，该系统已不再局限于被动采样，而是能够在传感过程中直接实现面向任务的计算处理，从而展示出传统柔性触觉传感器难以实现的“边感知、边处理”能力。
图4-复杂压力图案的纹理特征提取与信息压缩：图4进一步展示了该类皮肤计算架构在复杂触觉模式分析中的潜力。通过将电容压力阵列与两个1T1R忆阻阵列连接，系统能够在硬件中实现二维傅里叶变换所需的三矩阵乘法，从而直接提取压力图案的空间频率特征。对于周期性图案，输出表现为频域中的离散特征点；对于非周期性图案，则呈现更连续的频谱分布，这些结果均与二维傅里叶变换规律一致。更重要的是，相较于原始压力图案，提取后的空间频率特征更加稀疏，说明大面积触觉信息在传感端已被有效压缩。后续识别结果表明，基于这些空间频率特征进行模式分类可获得与原始图像接近的识别精度。该图因此证明，该系统不仅能够并行感知压力分布，还能够进一步完成纹理表征与数据压缩，为面向边缘智能的高效触觉感知提供了更高层级的功能支持。
【文献总结】
该工作提出并实验验证了一种基于柔性电容式压力传感阵列的类皮肤传感内并行计算方案，在全模拟域内实现了触觉信息的同步感知与处理。该系统不仅能够对加载在传感阵列上的完整压力图案进行一次性并行感知，还可借助大规模并行计算实现对破损压力图案的智能重构。进一步地，通过将压力传感阵列与两个1T1R忆阻阵列级联，复杂压力图案的纹理特征能够在传感端被直接提取，同时显著压缩数据量。整体而言，这项工作表明，类皮肤传感内海量并行计算为智能具身机器人和可穿戴设备中的高效触觉感知提供了新的实现路径。
文章信息：Li, Y., Yang, Y., Wang, C. et al. Massively parallel in-sensor skinomorphic computing. Nat Commun (2026).
https://doi.org/10.1038/s41467-026-71697-1
