柔性傳感器在智能感知系統(tǒng)中的進(jìn)展

智能感知是指在人工智能驅(qū)動的“大腦”的輔助下，柔性傳感器實現(xiàn)類似于人腦對外部信息的記憶、學(xué)習(xí)、判斷和推理能力。由于機(jī)器學(xué)習(xí)算法在數(shù)據(jù)處理和智能識別方面的優(yōu)勢，所構(gòu)建的智能感知系統(tǒng)擁有媲美甚至超越人類感知系統(tǒng)的能力。

韓國光云大學(xué)博士牛閎森、殷菲菲全面回顧了用于構(gòu)建柔性傳感器的最具代表性的功能材料和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步總結(jié)了基于柔性傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的智能感知系統(tǒng)的研究進(jìn)展，兩者的交叉融合有望為下一階段的人工智能發(fā)展解鎖新機(jī)遇。

感知是指外界刺激作用于感官時，大腦對外界的整體看法和理解，為我們對外界的感官信息進(jìn)行組織和解釋。在認(rèn)知科學(xué)中，也可看作一組程序，包括獲取信息、理解信息、篩選信息和組織信息。其中，信息獲取是實現(xiàn)感知過程最重要且首要的環(huán)節(jié)。人類和高等動物擁有豐富的感覺器官，可以通過視覺、聽覺、味覺、觸覺、嗅覺和直覺（第六感）感受外界刺激，獲取環(huán)境信息。受此啟發(fā)，研究人員研制出一系列可媲美甚至超越人類感官能力的柔性傳感器。與傳統(tǒng)、笨重、剛性材料的電子器件不同，柔性傳感器表現(xiàn)出獨特的柔韌性能、可拉伸性能和傳感性能，這些特性可以通過引入功能材料和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步提升。柔性傳感器可以在動態(tài)和不規(guī)則表面上形成緊密附著，大大減少外界刺激的干擾，實現(xiàn)高保真、高精度的數(shù)據(jù)采集。

利用不斷發(fā)展的人工智能技術(shù)構(gòu)建模仿人類感知過程的智能感知系統(tǒng)，是實現(xiàn)真正智能化的有效途徑。智能感知不僅包括各種柔性傳感器獲取外界信息和數(shù)據(jù)的能力，還包括通過記憶、學(xué)習(xí)、判斷、推理等過程感知環(huán)境、材料種類和物體屬性的能力（圖1）。高性能柔性傳感器采集大量信息數(shù)據(jù)，然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分析和處理。與傳統(tǒng)算法不同，機(jī)器學(xué)習(xí)是一類從數(shù)據(jù)中自動分析規(guī)律，并利用規(guī)律對未知數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測的算法，并且它們在智能感知系統(tǒng)中往往具有更好的預(yù)測能力。

圖1 智能感知系統(tǒng)的關(guān)鍵組件（柔性傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)算法）示意圖

這篇綜述重點介紹了柔性傳感器及其智能感知系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展。特別是全方位回顧了構(gòu)建柔性傳感器最具代表性的功能材料和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，并討論了基于不同環(huán)境信息的各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法輔助智能感知系統(tǒng)。功能材料包括1D/2D/3D納米材料、導(dǎo)電聚合物、液態(tài)金屬、離子液體；創(chuàng)新結(jié)構(gòu)包括單面、互鎖、3D多孔、裂紋、紡織、波浪/皺紋、蛇形線和剪紙結(jié)構(gòu)；智能感知系統(tǒng)包括手勢感知、姿態(tài)感知、抓取物體感知、紋理感知、語音感知和材料感知（圖2）。最后，詳細(xì)討論了柔性傳感器及其相應(yīng)的智能感知系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)和未來機(jī)遇。由于此類研究仍處于起步階段，本文所涵蓋的工作主要來自近些年。然而，隨著該領(lǐng)域的不斷成熟，最終會有足夠數(shù)量的技術(shù)迭代，以提供更全面的視角和演變時間表。

圖2 用于構(gòu)建柔性傳感器的各種功能材料和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，以及柔性傳感器在智能感知系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用

盡管近年來在柔性傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步，并且兩者交叉融合所構(gòu)建的智能感知系統(tǒng)為人工智能下一階段的發(fā)展提供了新的機(jī)遇，但在單個領(lǐng)域或兩者的交叉點仍有許多挑戰(zhàn)需要解決，如圖3所示。

圖3 智能感知系統(tǒng)（柔性傳感器、機(jī)器學(xué)習(xí)算法和硬件電路）的未來挑戰(zhàn)

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/inf2.12412

審核編輯 ：李倩