第一作者：龙之河，林伟康
其他作者：李鹏宇，王标，潘其其，杨晓丹，李望维，钟树鸿，杨征保
通讯作者：杨征保
通讯单位：香港科技大学，香港城市大学
DOI：10.1126/sciadv.adi6633
传感器阵列在机器人、航空和医疗保健等领域具有广阔应用前景。然而，目前的传感器阵列存在以下三个问题：
1.整个阵列需要引出行×列或行+列根信号输出线连接到解码设备；
2.阵列通常基于一整块基板加工，难以实现外形和模式的可重构以及传感单元的快速维护；
为解决现有传感器阵列面临的上述问题。香港科技大学的杨征保教授团队报告了一种受人体听觉系统启发的传感器阵列（TSM）设计技术。通过为阵列中每个传感器单元分配一个唯一的正弦波频率作为其标识符，并利用物理感知量调制正弦波幅值，然后使用共享冗余网络连接所有传感单元进行信号叠加，最后一根信号线输出包含所有传感单元信息的复合时域信号。解码设备通过傅里叶变换定位各传感单元并解析其对应的物理感知量。TSM设计使得系统可以并行处理所有传感单元信息，具有布线简洁，单一信号引出线，外形、模式可重构，单元可快速维护以及连接网络抗破坏等特性。
(A) 人类听觉系统与TSM系统的对应关系。(B) TSM原理示意图。(C) 简单的布线和单信号线输出。(D)各种类型的传感器单元随意与蛇形网络连接线结合，以实现不同三维几何形状上的多模感知。(E) 连接网络抗损坏和传感器单元可快速维护。
(A) 现有的压强传感器阵列方案需要行×列或行+列根信号线连接到解码设备。(B) 提出的传感器阵列方案只需要一个信号输出线。(C) 压强TSM的原理框图。(D) 压强TSM传感器单元的分层示意图。蛇形连接线包含共享的供电导线和一根信号导线。(E) 5×5可拉伸压强TSM原型。所有的蛇形线形成一个公共连接网络。(F) 10×10不可拉伸压强TSM原型。(G) 压强TSM传感单元的响应时间。(H) 压强TSM传感单元的输出与压强的关系。(I) 频率分辨率间隔比（FRIR）对压强TSM传感单元输出精度和整个压强TSM解码时间的影响。
(A) 在5×5可拉伸压强TSM的中心传感单元（坐标3，3）上施加了一个恒定力。(B) 在多个不同位置的连接网络受损的情况下，同样的恒定力也被施加在5×5可拉伸压强TSM的中心单元（坐标3，3）上。(C) 在(B)的基础上，同时也对相邻的单元（坐标3，2）和（坐标3，4）以及单元（坐标5，4）施加了压强。(D)至（F) 对应于(A)至(C)三种情况的频谱。(G)至（I) 损伤前后的信号传输路径。(J)至（L) 用于直观显示施加压强的级别和位置的3D柱状图。
视频2. 10 × 10 不可拉伸压强传感器阵列的演示
(A) 通过快速组装TSM温度传感单元、TSM压强传感单元和蛇形连接线形成的掌形单线双模TSM。(B) 使用构建的双模TSM抓取空杯，手掌上的压强分布和四个位置（带有白色圆圈）的温度在下方显示。(C) 抓取装有热茶的杯子，手掌上的压强分布和四个位置（带有白色圆圈）的温度在下方显示。(D) 双模TSM在假肢-皮肤界面的压强和温度测量中的应用。(E) 双模TSM被放置在免撑拐杖的支持表面和腿之间，以简单评估双模TSM应用于假肢-皮肤界面的压强和温度测量。(F) 腿部的压强分布和五个位置（带有白色轮廓）的温度。
(A) 用于验证由九个TSM应变传感单元组成的TSM效果的实验设置。(B) 应变TSM的原理框图和TSM应变传感单元的放大图。(C) 在机翼不同变形条件下，九个TSM应变传感单元在不同位置的应变波形。(D) 1号TSM应变传感单元在机翼不同形变程度下的测量值和仿真值。(E) 在开发的用户界面中直观显示机翼形变情况。(F) 原始状态和受损状态下，TSM测量得到的粗糙应变分布。(G) 机翼向上弯曲时仿真的应变分布。
虽然提出的TSM技术显示出巨大的潜力，但还是有一些挑战需要进一步解决，包括有限带宽对TSM传感单元数量的限制，传感单元难以进一步小型化以实现超高分辨率感知，以及需要在解码精度和解码时间之间做出权衡。不过总的来说，这项研究为传感器阵列设计提供了新的技术方案，实现了单根信号线输出，且连接网络布线简单具备抗破坏能力，重要的是阵列外形和模式均可重构。可以预见TSM技术与自愈材料相结合可以开发出鲁棒性更强的传感器阵列。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi6633
香港科技大学杨征保教授研究团队专注于压电材料、传感器、执行器和能量收集领域的研究。团队持续招聘博士和博士后，感兴趣者可访问课题组网站并联系。
课题组网站：https://yanglab.hkust.edu.hk
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