如今，各种各样的触觉传感器已经出现在市场。其在智能医疗的可穿戴神经形态应用中，扮演着重要的角色。
不过，它们还存在一些亟待解决的问题，比如电路复杂、功耗高、无法精确区分各种力学信号等。因此，开发一种具有选择性地检测和识别各种机械信号的超低功率触觉传感器势在必行。
近期，南京医科大学教授团队提出了一种具有可调陡坡区域的记忆式触觉传感器（in-memory tactile sensor，IMT），能够在没有外部电源的情况下，选择性地感知各种机械信号。
图丨生物触觉感知系统和 IMT 的信号处理步骤示意图（来源：ACS Nano）
2023 年 2 月 14 日，相关论文以《具有可调陡坡区域的记忆触觉传感器，用于机械信号的低伪影和实时感知》（）为题发表在 ACS Nano 上[1]。
图丨相关论文（来源：ACS Nano）
南京医科大学硕士研究生陈士晟为该论文的第一作者，南京医科大学教授和南京医科大学第一附属医院（江苏省人民医院）主任为该论文的共同通讯作者。
图丨右：陈士晟；中：胡本慧；左：任雪洋（来源：）
IMT 用一个机械栅控晶体管和两个可逆电极作为扩展栅，一个固体电解质作为机械响应调制器。通过这种方式，机械信号就可以在传感器中被感知、存储和分析，而无需额外的模数转换。
简单来说，IMT 主要解决了以下三个方面的问题。
首先，其主要通过将感知到的力转导为电位来实现自驱动的运行，这样能够在克服功耗问题的同时，确保器件的长期工作。
其次，其具有动态可调的陡坡区，可以精准地区分待测力学信号和噪音，实现主动降噪。
同时，其具有近感识别功能，不仅能够感知到测量的信号，还可以对实际测得的信号进行原位处理分析，从而实现信号的实时判别。也就是说，不必像传统的触觉传感器那样，需要将信息发送至处理器或云端才能进行判别。
图丨在IMT中，四种不同触觉传感器的操作机制、等效电路和基本性能，包括（a）电容式器件，（b）电阻式器件，（c）压电式器件和（d）电位式器件，（e）杨氏模量和具有不同含水量的机械响应调制器的平均曲率以及具有不同含水量的扩展闸门的（f）输出曲线和（g）操作范围（来源：ACS Nano）
据介绍，该研究始于 2019 年。当时，研究团队主要想根据心血管方面的力学信息做一款普通的触觉传感器。但很快他们便意识到，单纯的传感器并不足以解决相关问题，而需要实现近感识别或感内识别，让传感器具备判别和决策的能力。因此，他们转移了研究重点。
“其实刚开始，我们做出来的也只是能够感知力学信息和进行原位分析的触觉感知器件，它还需要和能将噪音过滤掉的滤波器放在一起使用。后来才发现了可调节的陡坡区，也就是通过对晶体管力学栅极的表观模量的调整，来选择性地定义我们想测的力学信号。”表示。
目前，该成果的应用前景主要体现在以下两方面。
其一是临床触诊。一般来说，传统的功能影像只能检测出发生结构性形变或已经突出表面的那些病变组织，而 IMT 可以作为医学影像的一种补充手段，在组织硬度发生明显变化时，就快速地扫描其病变区域，并对其轮廓进行准确地描绘。
其二是进行长时信息的判断。由于 IMT 具有一定的存储性（保留时间>1000 秒），因此能够更好地对复杂的综合信号进行重构和处理，实现对组织健康状态的准确评估。
图丨用于实时检测震颤的基于 IMT 的关联学习电路（来源：ACS Nano）
接下来，将带领团队针对上述两方面的应用，开展更有意义的研究。
其计划将该项研究中的技术作为基础元件，通过一定的阵列化集成到内窥镜等光学仪器的探头上，为后者增加快速标记力学信息的功能。
此外，该团队还打算将时序信息判别的功能用于心血管领域，实现对心跳过速、心衰等疾病前兆的判别和预警。
现在植入人体的很多心脏起搏装置，有时会发生误放电的现象。也就是偶尔出现一次心跳不正常或心电波形的异常，会触发起搏器在很短时间内产生几次放电。这会给病人带来不舒适的感觉，甚至增加其心理负担。
“而我们正希望通过所开发的技术，准确地监测心脏射血分数、心肌收缩力等信息，来减少起搏装置不必要或不恰当发生放电的情况，缓解患者术后的不良感受。”最后说。
参考资料：
1. S.,Chen, X., Ren, J.,Xu. et al.In-Memory Tactile Sensor with Tunable Steep-Slope Region for Low-Artifact and Real-Time Perception of Mechanical Signals. ACS Nano 2023 17 (3), 2134-2147 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08110
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