元宇宙

电讯-中科院团队研发碲半导体多功能感知融合集成系统,可用于感算一体、元宇宙等领域

作者:CETCIT小编

2022-11-13 21:19:06

近日,中科院半导体研究所研究员和合作者,研发出一款碲半导体多功能感知融合集成系统(Nature Communications, 2022, 13, 5975),在触觉神经反馈回路系统的重构、感算一体、元宇宙等领域其具备很好的应用前景。


图 | 王丽丽(来源:)

对于相关论文,一位来自多功能感知器件科研领域的审稿人评价称:“The paper developed a high-performance Te sensor and proved its potential in various areas. The noteworthy result is the improvement of VR somatosensory feedback, which is realized by sensor materials. This work is significant to the sensor field. This is a major advance of semiconductor sensors in the application of high-tech scenarios.”“(作者)开发了一种高性能的 Te 传感器,并证明了其在各个领域的潜力。值得注意的结果是 VR 体感反馈的改进,这是通过传感器材料实现的。这项工作对传感器领域具有重要意义,是半导体传感器在高科技场景应用中的一大进步。”

据悉,该团队的研究一直致力于开发多模态(光、声、力、热等)半导体传感集成系统,用于人-机-物三元融合和智慧医疗信息技术等领域。


(来源:Nature Communications)

近年来,人工智能、精准医疗以及虚拟现实等技术的快速发展,也对电子设备的信号采集和处理提出了更高要求。

而通过模仿人体感知器官的多模态传感器,可以将各种形式的外部刺激转换为电信号,从而实现对外部信号的可视化传输和记录。

同时,由于具备轻便易弯折、灵敏度高、可靠粘附人体皮肤及衣物、无需医学专家和固定仪器帮助的特点,只需将这类多模态传感器穿戴在人体不同部位,即可从人体中获取重要生物信息的特性。这对于便携式的医疗系统、以及元宇宙人-机-物交互的发展至关重要。

现有的半导体传感器已能实现单一功能的感知,比如压力、温度、气体等。然而,相比单模态感知,在评估物体属性、以及提高物体的识别精度上,多模态融合感知具有明显优势。


(来源:Nature Communications)

在传统的多模态感知系统中,一般通过集成不同的传感器,借此获取多模态的信息,这会带来较大的功耗、以及高昂的通信带宽开销。

因此,需要开发新型器件结构、以及新型敏感传导机制,来满足单一传感器对于外部多模态信息的感知和融合。针对这些问题,该团队首先开展了半导体多功能感知集成系统的设计。

当下,多功能传感器的敏感材料,多数以有机材料或石墨烯等二维材料为主。虽然这些器件具备很好的敏感性能,但也存在无法与传统工艺兼容、以及信号干扰大等问题。

为此,课题组采用半导体 Te 纳米线阵列作为功能层。由于 Te 是很好的压阻及热电材料,因此在面对外部压力时,该器件既能做出很好的压阻响应,也能很好地识别温差 [1]。

由于压力与温度这两个因素,会分别影响器件的电阻和输出电势。并且两个因素互不干扰,使得这种单一器件可以同时感受外部压力与外部温度的变化。

当将器件与柔性电极相连,即可构成触觉神经反馈系统,实现其在精准医疗领域的潜在应用。

此外,他们还将器件集成到手套上,通过带入神经网络算法,实现了不同材料和材质的准确识别。并将其引入虚拟现实场景,将现实世界中的物体映射到虚拟世界中,解决了目前 VR 手套主要是控制方向功能的弊端。


(来源:Nature Communications)

为进一步实现半导体多模态感知融合系统的构建,研究小组还设计了新型神经形态器件(National Science Review, 2022, 9, nwac158)。在不改变外部刺激条件的前提下,他们利用柔性能量存储装置实现了如下功能:通过调控系统中的阻值,来控制离子的积累和消散,借此达成传感信号和存储权重 W 的耦合 [2]。

同时,也能针对相似目标数据集实现自适应识别,让重新计算带来的时间损失和能量损失得以避免。基于此,未来可以结合不同类型传感器片上集成,进一步实现多模态感算一体架构。


图 | 研究团队(来源:资料图)

对于这篇论文,一位拥有新型神经形态器件背景的审稿人认为:“The performance improvement mechanism in this manuscript is very interesting. This device can be adjusted adaptively depending on the stored weight value to avoid the loss of time and energy caused by recalculation. The study showcases the feasibility of a conceptual hardware neural network based on a novel flexible device in the future。”“该课题组的性能提升机理非常有趣,并且表明了未来基于一种新型柔性装置的概念硬件神经网络的可行性。”

还有位审稿人表示:“In this work, the authors try to use a device with a new mechanism to solve the issue, so the reviewer agrees that it is a critical topic worth investigating.”“在这项工作中,作者使用一种具有新机制的装置来解决这个问题,这是一个值得研究的关键话题。”

据介绍,该团队一直在探索半导体感知芯片、在人-机-物融合信息技术领域的应用 [3]。

研究人员说:“多功能感知集成系统是我们的探索方向之一,但是在研究中也发现了很多问题包括信号串扰、集成工艺以及信号处理等。为了解决这些问题,我们一直沿着关键问题在开展工作与讨论。”

经过的长期尝试,他们最终选择从源头入手,选择 Te 半导体作为多功能感知材料。原因在于 Te 是传统的热电材料,同时还具有压电和光电特性。

而在研究伊始,该团队先是验证了 Te 纳米线的光电特性,研制了可穿戴光机交互系统 [4]。在积累了材料生长和系统集成的经验之后,他们利用 Te 半导体纳米线阵列的热电及压阻特性,实现了压力与温度的双功能感知。

物体材质的两个重要参数,就是弹性模量和导热性。基于这种双功能感知器件,课题组成功地实现了不同材质物体的识别。

近两年,随着智慧医疗信息技术等领域的快速发展,元宇宙的概念引起了大家的关注。在构成触觉神经反馈系统、以及实现医疗上的精准控制之后,研究团队开始讨论:这个集成系统是否也能用到元宇宙上?

而在智慧医疗信息技术的应用中,他们确实纳入了虚拟现实和 VR 眼镜等。“当时我们就在想,大多数研究思路是将虚拟东西呈现在人的眼前,并且目前主要是以 VR 控制器为主。事实上,当前人们缺少一个能将现实世界的环境映射到虚拟世界的系统。”说。

受此启发,她和团队决定将多功能感知系统应用到元宇宙中,借此将现实世界的物体材质映射到虚拟世界,为元宇宙的进一步实际应用提供可能。

确定了想法后,他们一边写 VR 游戏程序、一边匹配硬件。经过几个月的时间调试,终于成功实现了物体映射。

而此次工作的完成,也是课题组初步把精准医疗和 VR 系统结合在一起的成果。未来,他们计划把元宇宙应用到智慧医疗信息技术之中。

据介绍,该团队的研究主要聚焦在半导体传感芯片开发,无论是多模态传感芯片、半导体光电芯片、集成电路设计、还是新型神经形态器件的工作,课题组希望实现的是——将多功能异质异构集成,并面向人机物三元融合信息技术领域中的健康管理,人机交互,感算一体等方向。

具体应用场景包括预防和诊断早期疾病、在体内以无毒无害的方式长期监控生理指标、赋予机器人类似于人的五官感知、以及元宇宙人机交互等。

详细来说,整个团队被分成不同小组,每个小组都会深耕某一方向,从而让每个工作都具备连续性。

每一个方向相辅相成、相互协作,最终目的是推出可产品化的半导体传感芯片或医疗设备。

参考资料:

1.Nature Communications, 2022, 13, 5975

2.National Science Review, 2022, 9, nwac158,

3. http://www.sschip-lab.com/

4. Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2104782

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