香港科技大学团队研发多功能、可重构和抗破坏单线感测器阵列

香港科技大学（科大）的研究人员开发出一种受人类听觉系统启发的感测器阵列设计技术。透过模仿人耳根据音位分布来区分声音的能力，这种新型感测器阵列方法可能优化感测器阵列在诸如机器人技术丶航空丶医疗保健和工业机械等领域的应用。

传统的感测器阵列面临布线复杂凌乱丶有限的可重构性以及连接网路缺乏对物理损伤的抵抗力等挑战。为解决这些挑战，科大机械及航空航天工程学系副教授杨徵保研究团队，透过为每个感测单元分配唯一的正弦波频率，并利用感测单元讯号调制正弦波幅度，这类似於人耳中的耳蜗毛细胞处理不同频率的声音。

将这些不同频率的调幅讯号叠加到单一导体上，最後使用快速傅立叶变换演算法来解码这个叠加的时域复合讯号，便可解析出整个感测器阵列的感知物理量。这种设计允许将传统行列配置阵列中的大量输出线减少到单根线，而不牺牲原有的功能。这种新颖的方法允许解码系统并行处理所有感测单元的讯息，与现有的用於感测器阵列解码的时分复用方案完全不同。

该研究的感测器连接网路采用冗馀设计，以确保即使阵列的连接网路部分受损，也能保持正常运作。这种设计特性受到内耳毛细胞和神经元之间多个突触连接的启发，如果一条路径失效，将提供备份路径。这种冗馀设计不仅增强了系统的抗损伤能力，而且使得更强大的可重构性成为可能，这是在诸如响应式机器人或自适应可穿戴设备等快速变化的应用中特别有用的特性。另外，感测器阵列的乐高式模组化设计也可能降低维护成本，因为相比传统的多线感测器阵列提出的方案更易於修复。

研究者提出的感测器阵列技术提供了多种潜在的应用。其灵活性和稳健性使其非常适合整合到曲面和在恶劣的环境中工作。它可以适应不同表面的形状和多模感知需求，同时提供即时数据。研究团队已经在两个主要应用中展示了此感测器阵列设计的优势——一个是压强感测器阵列，另一个是压强 － 温度多模感测器阵列。後者可用於监测义肢中关键的参数，从而提高患者的舒适性和安全性。团队也介绍了该技术在监测飞机机翼应变分布的应用潜力，这可能有助於开发更安全丶更节能的飞机。

尽管这种感测器阵列设计有许多优点，但也存在一些限制。阵列中的感测单元数量受限於电路的工作频宽，且每个感测单元所需的离散电子元件的大小限制了其进一步小型化的可能。在未来，团队将进一步简化所提出的感测器阵列的设计，并寻求商业合作夥伴，将这项技术推向市场。

该团队的研究成果与香港城市大学合作完成，最近发表在《科学进展》杂志上。龙之河博士和林伟康先生是这项研究的第一作者。

（原文於2024年1月11日在EurekAlert刊登。）