南京大学缪峰团队发表 Nature Communications:大规模并行感内类皮肤计算方案
近日，南京大学缪峰教授、梁世军教授联合团队在国际顶级期刊《Nature Communications》发表题为 “Massively parallel in-sensor skinomorphic computing” 的研究论文，提出了一种全新的大规模并行感内类皮肤计算方案，在全模拟域实现了触觉信息的同步传感与并行处理，突破了传统触觉传感体系的性能瓶颈，为智能机器人、可穿戴电子设备的下一代触觉感知系统发展开辟了全新路径。1. 传统触觉架构遇核心瓶颈，生物启发构建全新计算范式
随着柔性可穿戴技术与边缘智能的快速发展，实时、高通量的触觉信息感知与处理成为智能机器人、人机交互等领域的核心需求。然而传统触觉传感方案中，传感器与处理器在物理上相互分离，触觉数据需经串行采集、模数转换后再传输至后端处理器分析，海量触觉数据的处理会产生巨大的能耗与延迟，成为制约类皮肤电子技术发展的核心障碍，尤其难以适配大面阵、高吞吐量的触觉感知任务。受人体皮肤触觉感知机制启发，团队开展了本次突破性研究。人体皮肤中的 Merkel 盘作为核心机械感受器，可将压力刺激编码为生物电信号，并通过神经元实现大规模并行的信息处理，让人体实现实时的外界压力感知。借鉴这一生物机制，团队提出了基于频分复用（FDM）技术的大规模并行感内类皮肤计算方案，利用连续时间模拟信号的多频率特性，在传感器内部直接实现触觉信息的并行传感与处理，从底层架构上颠覆了传统触觉系统的工作模式。2. 高可靠柔性传感阵列制备，硬件架构实现可扩展性突破
为实现上述计算方案的硬件落地，团队制备了一款 32×32 规模的柔性电容式压力传感器阵列，该阵列采用三明治堆叠结构，以聚酰亚胺（PI）为基底，金（Au）为底电极，带有柱状微结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）为介电层，导电聚合物 PEDOT:PSS 为顶电极，最终完成 PI 封装。测试结果显示，该传感器阵列有效压力响应范围覆盖 0.155 kPa 至 32.875 kPa，可精准检测从轻触到重压的全范围压力刺激，在 0-5 MHz 的宽频率范围内均能保持稳定的传感性能。该 32×32 阵列包含 1024 个传感单元，统计测试显示其电容响应率均值达 19.31%，标准差仅 2.38%，展现出极高的器件均匀性；在长达 4000 秒的循环加压测试中，器件性能无明显衰减，具备优异的长期耐久性。在此基础上，团队将柔性传感阵列与 1T1R（一晶体管一忆阻器）交叉阵列级联，构建了核心硬件系统。相较于传统架构实现全像素并行读取需 N² 个端口的设计，该方案针对 N×N 像素阵列仅需 2N 个端口，大幅降低了大规模阵列的布线与布局复杂度，阵列规模越大，其可扩展性优势越显著。3. 缺损图案并行修复，纹理特征提取实现数据高效压缩
基于搭建的硬件系统，团队完成了多项核心功能的实验验证。在并行感知与模式修复实验中，团队通过 3D 打印的 “NJU” 浮雕图案向传感阵列加载压力，当忆阻器阵列配置为单位矩阵时，系统可精准捕获完整的 “NJU” 压力图案，实验结果与仿真频谱数据高度吻合；而当加载存在缺损的 “NJU” 图案时，只需为忆阻器阵列配置对应的修复权重矩阵，系统即可在传感的同时完成缺损图案的并行重建与修复，这一能力是此前已报道的柔性应变 / 压力传感技术无法实现的。为进一步挖掘系统的复杂信息处理能力，团队将传感阵列与两个 1T1R 忆阻器阵列组网，通过硬件化的二维离散傅里叶变换，实现了复杂压力图案纹理特征的直接并行提取。实验结果显示，针对周期性压力图案，系统输出的纹理特征在频域平面呈现离散分布，非周期性图案则呈现准连续分布，完全符合傅里叶变换理论；同时提取后的纹理特征相较原始压力图案数据量显著压缩，基于该频域特征完成的 5 类图案识别任务，识别准确率与基于原始图像的结果相当，充分验证了该技术在边缘智能场景中的实用性。4. 全模拟域并行计算落地，多领域应用前景广阔
这项工作首次在全模拟域实现了基于柔性压力传感阵列的大规模并行感内计算，完整验证了类皮肤计算范式的可行性与先进性。不同于传统 “先传感、后处理” 的串行工作流，该方案实现了触觉信息的 “一次触发、同步传感与处理”，从根本上解决了传统触觉系统在大面阵应用中的高延迟、高能耗问题，为智能皮肤的实时、高通量触觉感知提供了全新的技术路线。该研究成果为下一代智能机器人拟人化电子皮肤、高性能可穿戴触觉设备、精密人机交互系统等领域的发展奠定了核心技术基础。随着技术的进一步迭代，其有望在假肢触觉感知、工业机器人精密操作、沉浸式虚拟现实触觉反馈等多个场景实现落地应用，推动柔性边缘智能与类脑感知技术的进一步发展。图3｜基于柔性压力传感器阵列的类皮肤感内并行计算硬件实现原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-71697-1公众号可进行XPS，XRD，SEM，原位TEM，傅里叶红外，力学，电学，生物测试等表征测试与分析；光电器件，柔性电子器件等器件的COMSOL仿真分析；人工智能算法复现；薄膜晶体管、光电器件功能层的制备及其器件掩模板的设计与实现。本公众号发布的所有内容（含文字、图片、视频、音频、设计素材等），若涉及侵权，请及时与我们联系，我们将第一时间处理删除。我们始终尊重知识产权，严格恪守《中华人民共和国著作权法》及相关法律法规，全力维护健康有序的内容创作生态。欢迎大家投稿和私信，联系邮箱：aida2077@163.com
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