研究人员开发了一种多功能、可重构、耐损伤的单线传感器阵列

来自香港科技大学(HKUST)的研究人员开发了一种受人类听觉系统启发的传感器阵列设计技术。这种创新的传感器阵列方法通过模仿人耳通过听觉辨别声音的能力，可以优化传感器阵列在机器人、航空、医疗保健和工业机械等领域的应用。

传统传感器阵列面临着复杂的布线、有限的可重构性和低抗损坏性等挑战。

由机械与航空航天工程系杨副教授领导的团队开发的设计通过为每个传感器单元分配一个唯一的频率并使用传感器单元信号来调制频率信号的幅度来解决这些挑战，类似于人类耳蜗毛细胞处理的不同频率。

然后将这些不同频率的调幅信号叠加到单个导体上，最后使用快速傅立叶变换算法来破译单个信号。

这种设计允许在不牺牲功能的情况下，将大量输出线从传统的行列设置减少到单根线。

这种创新方法允许解码系统同时处理来自所有传感器单元的信息，这与现有的传感器阵列解码时分复用实现形成鲜明对比。

研究团队利用传感器连接网络中的冗余设计来确保连续运行，即使在阵列连接网络的部分损坏时也是如此。

这一设计特点的灵感来自内耳毛细胞和神经元之间的多个突触连接，在一条通路出现故障时提供备份。

这种冗余设计不仅增强了系统的损伤容限，还实现了更大的可重新配置性，这一功能在快速变化的环境中特别有用，例如反应灵敏的机器人或适应性强的可穿戴设备。

乐高式模块化设计还可以节省维护成本，因为它比传统的多线传感器阵列更容易维修。

提议的传感器阵列技术提供了多种潜在的应用。

其灵活性和坚固性使其非常适合集成到曲面中并在恶劣环境中运行。

它可以适应表面的形状和多模态传感要求，同时提供实时数据。

实际上，该团队已经在两个主要应用中展示了传感器阵列的功能-压力传感器阵列和压力-温度多模式传感器阵列。

后者尤其值得注意，因为它可以监控医疗假肢的关键参数，从而提高用户的舒适度和安全性。

该团队还强调了该技术在监测飞机机翼应变分布方面的潜力，这可能有助于开发更安全、更省油的飞机。

尽管有很多优点，这种传感器阵列设计确实遇到了一些限制。

阵列中传感器单元的数量受到电路工作带宽的限制，小型化的潜力受到每个传感器单元所需的现成电子元件尺寸的限制。

展望未来，HKUST团队的目标是进一步简化传感器阵列的设计，并寻求商业合作伙伴关系，将这项技术推向市场。

该团队与香港城市大学合作完成的研究结果最近发表在《科学》杂志上科学进展在一篇名为“受听觉刺激启发的单线可重构和耐损伤传感器矩阵”的文章中龙博士和林维康先生是这项工作的第一作者。

来源: Materials provided by Hong Kong University of Science and Technology.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Zhihe Long, Weikang Lin, Pengyu Li, Biao Wang, Qiqi Pan, Xiaodan Yang, Wang Wei Lee, Henry Shu-Hung Chung, Zhengbao Yang. One-wire reconfigurable and damage-tolerant sensor matrix inspired by the auditory tonotopy. Science Advances, 2023; 9 (48) DOI: 10.1126/sciadv.adi6633