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  人類通過觸覺、視覺、聽覺、味覺和嗅覺等多種感官整合來全面感知世界。這種感官整合不僅幫助我們理解環(huán)境，還為應(yīng)對(duì)各種情境提供了關(guān)鍵信息。隨著技術(shù)的進(jìn)步，人形機(jī)器人和人機(jī)界面的發(fā)展突顯了擴(kuò)展人類感官功能的迫切需求。這一需求不僅局限于傳統(tǒng)五種感知，還可能引入超越這些感官的第六感:遠(yuǎn)程感知。遠(yuǎn)程感知作為認(rèn)知領(lǐng)域的一次重要突破，展現(xiàn)出在提升決策能力和環(huán)境互動(dòng)方面的巨大潛力。通過突破傳統(tǒng)感官的局限，遠(yuǎn)程感知為人類感知與認(rèn)知開辟了全新可能性。然而，當(dāng)前的電子皮膚傳感器主要依賴物理接觸獲取信息，這在無直接交互的情況下表現(xiàn)出顯著不足，限制了人機(jī)交互（HMI）的能力。盡管已有關(guān)于非接觸或預(yù)接觸傳感技術(shù)的研究，但對(duì)遠(yuǎn)程感知技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展探討仍相對(duì)有限。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究者們開始關(guān)注通過創(chuàng)新表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、引入新型復(fù)合材料以及離子注入等手段來增強(qiáng)傳感器的非接觸感知能力。然而，介電層的電荷捕獲能力仍顯不足，影響了傳感器的整體靈敏度，使得在無直接接觸的情況下實(shí)現(xiàn)有效感知更加困難。另一方面，盡管依靠大數(shù)據(jù)的模擬建模技術(shù)能夠識(shí)別三維形狀，但現(xiàn)有電感受器的靈敏度仍無法同時(shí)識(shí)別物體的形狀和材料組成。因此，將材料科學(xué)、納米技術(shù)與深度學(xué)習(xí)算法的進(jìn)步融入先進(jìn)傳感器設(shè)計(jì)中，對(duì)于提升觸覺和遠(yuǎn)程感知功能至關(guān)重要。提高電荷捕獲能力是推動(dòng)遠(yuǎn)程感知技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。遠(yuǎn)程感知作為一種新興技術(shù)，能夠在一定距離內(nèi)檢測(cè)并區(qū)分物體的形狀和材料組成，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

  中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的魏迪研究員、王中林院士團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)任天令教授、劍橋大學(xué)初大平教授團(tuán)隊(duì)合作，首次定義遠(yuǎn)程感知概念，并將其與非接觸或預(yù)接觸傳感進(jìn)行區(qū)分；設(shè)計(jì)了一種具有遠(yuǎn)程感知-多模態(tài)傳感功能的高靈敏電子皮膚。該電子皮膚通過將無機(jī)納米顆粒進(jìn)行結(jié)構(gòu)化陣列摻雜，并結(jié)合先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)算法，顯著提升了遠(yuǎn)程感知功能的精度，超越了傳統(tǒng)非接觸式傳感器的性能；實(shí)現(xiàn)了14.2（ΔV/Δd）的靈敏度，極大地提高了遠(yuǎn)程監(jiān)控和機(jī)器人操控的精確度。在觸覺感知方面，采用了基于長(zhǎng)短期記憶（LSTM）的自適應(yīng)脈沖識(shí)別技術(shù)，將材料識(shí)別的準(zhǔn)確率提高至99.56%，同時(shí)顯著提升了數(shù)據(jù)處理效率。此外，通過將二維傳感器矩陣的數(shù)據(jù)集成到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）中，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維物體形狀和材料組成的精準(zhǔn)區(qū)分。這一突破不僅推動(dòng)了傳感器技術(shù)的進(jìn)步，還為實(shí)現(xiàn)多模態(tài)感知系統(tǒng)開辟了新的研究方向，展示了廣泛的應(yīng)用潛力和深遠(yuǎn)的科學(xué)影響。

圖 6. 具有遠(yuǎn)程感知-多模態(tài)傳感功能電子皮膚在遠(yuǎn)程感知和觸覺感知中的應(yīng)用。（A） 基于仿生機(jī)械感受器陣列的實(shí)時(shí)觸覺感知系統(tǒng)（RTPS）。（B） RTPS的控制頁面。（C）RTPS在識(shí)別材料時(shí)的輸出信號(hào)曲線和識(shí)別結(jié)果。（D）基于仿生電感受器矩陣（20×20單元）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（CNN）的遠(yuǎn)程感知系統(tǒng)，可以識(shí)別三維物體。

  本研究首次展示了電子皮膚的遠(yuǎn)程感知功能，突破了傳統(tǒng)非接觸式傳感和感官模式的局限性，開啟了感知的新維度。開發(fā)初具有遠(yuǎn)程感知-多模態(tài)傳感功能的電子皮膚，通過結(jié)構(gòu)化摻雜無機(jī)非金屬納米顆粒，并結(jié)合先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了卓越的遠(yuǎn)程感知和觸覺等多模態(tài)感知性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與COMSOL仿真表明，誘導(dǎo)極化引發(fā)的電荷陷阱機(jī)制在無機(jī)非金屬納米顆粒的結(jié)構(gòu)化摻雜下得到顯著增強(qiáng)，大幅提升了遠(yuǎn)程感知的靈敏度，創(chuàng)造了新的高靈敏度紀(jì)錄。這一創(chuàng)新策略有效地解決了彈性襯底內(nèi)無機(jī)非金屬納米顆粒摻雜雜亂無章所帶來的挑戰(zhàn)。基于長(zhǎng)短期記憶（LSTM）算法的自適應(yīng)脈沖識(shí)別技術(shù)顯著提高了觸覺感知中的材料識(shí)別準(zhǔn)確率，達(dá)到了99.56%，同時(shí)加快了處理速度。與傳統(tǒng)感官系統(tǒng)如視覺和觸覺的復(fù)雜整合相比，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)越的材料識(shí)別效率。此外，通過將二維傳感器矩陣的數(shù)據(jù)集成到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維物體的準(zhǔn)確識(shí)別。相比傳統(tǒng)的三維識(shí)別方法，如CCD和紅外相機(jī)，這一技術(shù)的突破簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，顯著降低了能耗。整合遠(yuǎn)程感知與觸覺感知等多模態(tài)輸入，使得該電子皮膚在提升人機(jī)界面和人形機(jī)器人中的感知能力方面展現(xiàn)出類似第六感的潛力。展望未來，其在具身智能中的應(yīng)用將有望進(jìn)一步推動(dòng)人機(jī)交互和感官沉浸，為構(gòu)建未來更復(fù)雜的智能感知系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp8681