第一作者：龍之河，林偉康
其他作者：李鵬宇，王標，潘其其，楊曉丹，李望維，鐘樹鴻，楊征保
通訊作者：楊征保
通訊單位：香港科技大學，香港城市大學
DOI：10.1126/sciadv.adi6633
傳感器陣列在機器人、航空和醫(yī)療保健等領域具有廣闊應用前景。然而，目前的傳感器陣列存在以下三個問題：
1.整個陣列需要引出行×列或行+列根信號輸出線連接到解碼設備；
2.陣列通常基于一整塊基板加工，難以實現外形和模式的可重構以及傳感單元的快速維護；
為解決現有傳感器陣列面臨的上述問題。香港科技大學的楊征保教授團隊報告了一種受人體聽覺系統(tǒng)啟發(fā)的傳感器陣列（TSM）設計技術。通過為陣列中每個傳感器單元分配一個唯一的正弦波頻率作為其標識符，并利用物理感知量調制正弦波幅值，然后使用共享冗余網絡連接所有傳感單元進行信號疊加，最后一根信號線輸出包含所有傳感單元信息的復合時域信號。解碼設備通過傅里葉變換定位各傳感單元并解析其對應的物理感知量。TSM設計使得系統(tǒng)可以并行處理所有傳感單元信息，具有布線簡潔，單一信號引出線，外形、模式可重構，單元可快速維護以及連接網絡抗破壞等特性。
(A) 人類聽覺系統(tǒng)與TSM系統(tǒng)的對應關系。(B) TSM原理示意圖。(C) 簡單的布線和單信號線輸出。(D)各種類型的傳感器單元隨意與蛇形網絡連接線結合，以實現不同三維幾何形狀上的多模感知。(E) 連接網絡抗損壞和傳感器單元可快速維護。
(A) 現有的壓強傳感器陣列方案需要行×列或行+列根信號線連接到解碼設備。(B) 提出的傳感器陣列方案只需要一個信號輸出線。(C) 壓強TSM的原理框圖。(D) 壓強TSM傳感器單元的分層示意圖。蛇形連接線包含共享的供電導線和一根信號導線。(E) 5×5可拉伸壓強TSM原型。所有的蛇形線形成一個公共連接網絡。(F) 10×10不可拉伸壓強TSM原型。(G) 壓強TSM傳感單元的響應時間。(H) 壓強TSM傳感單元的輸出與壓強的關系。(I) 頻率分辨率間隔比（FRIR）對壓強TSM傳感單元輸出精度和整個壓強TSM解碼時間的影響。
(A) 在5×5可拉伸壓強TSM的中心傳感單元（坐標3，3）上施加了一個恒定力。(B) 在多個不同位置的連接網絡受損的情況下，同樣的恒定力也被施加在5×5可拉伸壓強TSM的中心單元（坐標3，3）上。(C) 在(B)的基礎上，同時也對相鄰的單元（坐標3，2）和（坐標3，4）以及單元（坐標5，4）施加了壓強。(D)至（F) 對應于(A)至(C)三種情況的頻譜。(G)至（I) 損傷前后的信號傳輸路徑。(J)至（L) 用于直觀顯示施加壓強的級別和位置的3D柱狀圖。
視頻2.?10 × 10 不可拉伸壓強傳感器陣列的演示
(A) 通過快速組裝TSM溫度傳感單元、TSM壓強傳感單元和蛇形連接線形成的掌形單線雙模TSM。(B) 使用構建的雙模TSM抓取空杯，手掌上的壓強分布和四個位置（帶有白色圓圈）的溫度在下方顯示。(C) 抓取裝有熱茶的杯子，手掌上的壓強分布和四個位置（帶有白色圓圈）的溫度在下方顯示。(D) 雙模TSM在假肢-皮膚界面的壓強和溫度測量中的應用。(E) 雙模TSM被放置在免撐拐杖的支持表面和腿之間，以簡單評估雙模TSM應用于假肢-皮膚界面的壓強和溫度測量。(F) 腿部的壓強分布和五個位置（帶有白色輪廓）的溫度。
圖5. TSM技術用于監(jiān)測機翼應變分布
(A) 用于驗證由九個TSM應變傳感單元組成的TSM效果的實驗設置。(B) 應變TSM的原理框圖和TSM應變傳感單元的放大圖。(C) 在機翼不同變形條件下，九個TSM應變傳感單元在不同位置的應變波形。(D) 1號TSM應變傳感單元在機翼不同形變程度下的測量值和仿真值。(E) 在開發(fā)的用戶界面中直觀顯示機翼形變情況。(F) 原始狀態(tài)和受損狀態(tài)下，TSM測量得到的粗糙應變分布。(G) 機翼向上彎曲時仿真的應變分布。
雖然提出的TSM技術顯示出巨大的潛力，但還是有一些挑戰(zhàn)需要進一步解決，包括有限帶寬對TSM傳感單元數量的限制，傳感單元難以進一步小型化以實現超高分辨率感知，以及需要在解碼精度和解碼時間之間做出權衡。不過總的來說，這項研究為傳感器陣列設計提供了新的技術方案，實現了單根信號線輸出，且連接網絡布線簡單具備抗破壞能力，重要的是陣列外形和模式均可重構。可以預見TSM技術與自愈材料相結合可以開發(fā)出魯棒性更強的傳感器陣列。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi6633
香港科技大學楊征保教授研究團隊專注于壓電材料、傳感器、執(zhí)行器和能量收集領域的研究。團隊持續(xù)招聘博士和博士后，感興趣者可訪問課題組網站并聯系。
課題組網站：https://yanglab.hkust.edu.hk
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