NCE编辑优选：自重构多功能忆阻伤害感受器
文章介绍
Shengbo Wang（王圣博）, Mingchao Fang（方明超）, Lekai Song（宋乐凯）, Cong Li（李聪）, Jian Zhang（张季安）, Arokia Nathan, Guohua Hu（胡国华） and Shuo Gao（高硕）
通讯作者：
- 高硕，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
研究背景：
随着人工智能和自主技术的快速发展，机器人在工业、医疗保健等领域的应用日益广泛。然而，目前的智能机器人在环境信息感知方面仍存在效率不足的问题，限制了其在危险和动态场景中的应用。生物医学研究表明，伤害感受器在生物系统中起着关键作用，能够感知外部的潜在危险刺激，并根据环境条件自适应地调整响应。现有的人工伤害感受器虽然能够模拟生物的一些功能，但普遍存在响应特性固定、缺乏对环境变化适应能力的问题。这使得在实际部署到机器人复杂多变的工作环境时，无法准确地感知和应对潜在的危险。为解决这一问题，我们开发了一种能够根据环境信息自适应调整响应特性的人工伤害感受器，从而提升机器人在动态环境中的灵活性和适应性。
研究内容：
本研究提出了一种基于自导通道（SDC）忆阻器的通用人工伤害感受器框架。该框架利用忆阻器的非线性特性，将伤害感受器的核心功能——根据特定标准放大外部有害刺激，分解为两个关键部分：对刺激的放大和对外部刺激长期特征的分析。
图1 可自重构的忆阻伤害感受器
图2 通用人工伤害感受器框架
系统设计：构建了一个由传感模块、信号生成模块和忆阻器处理模块组成的伤害感受器系统。传感模块负责检测外部的压力和温度信息；信号生成模块根据传感器输入和忆阻器状态生成调制信号；忆阻器处理模块通过两个忆阻器实现对外部刺激的放大和长期特征分析。
功能验证：在不同温度条件下，对系统的关键功能进行了验证，包括“阈值”、“无适应性”和“敏化”。通过实验，展示了系统如何根据温度变化自适应地调整响应特性。
图3 系统设计
图4 仿真结果
图5 硬件实现
成果及创新：
自重构：系统能够根据当前的环境温度，自动调整对危险刺激的感知阈值和响应强度。当温度升高时，系统对外部刺激的响应增强，反之亦然。这种自适应性使得系统能够在不同环境条件下准确地感知危险。
高效的刺激放大：实验结果显示，系统最大能够实现对危险外部刺激1000%的放大，忆阻器在不同温度下的响应最大差异比率达到500%，充分体现了其对环境变化的敏感性和适应性。
作者介绍
高硕 副教授
北京航空航天大学
- 高硕，剑桥大学博士，北京航空航天大学副教授，小米青年学者，IEEE Senior Member、以第一或通讯作者于Nature Reviews Electrical Engineering, Nature Communications等发表论文90余篇，专利30余项，Springer-Nature Press等发行英文专著3部、章节3章；主持国自然、科技部等项目；第一排名获国家一级协会一等奖，任多部Nature和IEEE旗下期刊编辑，Science、Nature Electronics等期刊审稿人；多个国际会议主席团成员、分会场主席。
期刊介绍
- 2023年影响因子：5.8 Citescore: 5.9
- Neuromorphic Computing and Engineering（NCE）是一本涵盖多个学科领域、采用开放获取（OA）形式出版的期刊。NCE期刊将神经形态系统的硬件和计算方面结合在一起，读者群覆盖工程、材料科学、物理、化学、生物学、神经科学和计算机科学等领域，跨越学术界和产业界的各个群体。在NCE期刊上发表的研究需针对神经形态系统和人工神经网络领域做出及时而重要的贡献。