综述-基于忆阻器的仿生触觉设备：为新一代人工智能打开大门

受生物启发的触觉设备可以有效地模仿和再现人类触觉系统的功能，在下一代可穿戴电子设备领域具有巨大潜力。其中，基于忆阻器的仿生触觉器件因其灵活性高、功耗低、适应性强等优异特性而备受关注。这些器件具有先进的可穿戴性和高精度触觉传感能力，因此成为生物启发电子学的一个重要研究领域。西安交通大学孙柏教授&西南交通大学王红艳教授等人深入探讨了忆阻器与其他传感和控制系统的集成并全面分析了基于忆阻器的仿生触觉设备的最新研究进展。这些进展将人工痛觉感受器和柔性电子皮肤 (e-skin)纳入了生物启发传感器的范畴，这些传感器具备感知、处理和响应刺激的能力，有望推动人机交互发生革命性变化。最后，本综述讨论了基于忆阻器的仿生触觉设备在材料选择、结构设计和传感器信号处理方面所面临的挑战，以促进人工智能的发展。此外，它还概述了这些设备的未来研究方向和应用前景，同时提出了应对所发现挑战的可行解决方案。

图文导读

Figure 1. Some typical representative applications of the memristor.

Figure 2. Memristor exhibit a variety of physical characteristics under affected by the external environment.

Figure 3. Working mechanisms of conventional memristors and multi-factor controlled memristors.

Figure 4. Some typical representative applications of the bionic electronic devices.

Figure 5. Memristor-based biomimetic nociceptor system and its potential applications in artificial intelligence.

Figure 6. Working principle of memristor-based artificial nociceptors.

Figure 7. Some typical representative wearable applications of the e-skins.

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Figure 15. Material classification and application prospects of memristor-based bionic tactile devices.

总结与展望

近年来，基于忆阻器的仿生物触觉器件的开发取得了重大进展，为智能传感和人工体感新时代的到来奠定了基础。表 1 显示了一些典型的基于忆阻器的仿生物触觉器件的性能比较，这些器件通过模仿人体触觉系统的工作原理，成功实现了对外部环境的感知、处理和响应为人工智能、智能机器人和假肢等领域注入了新的活力。目前，除了传统的金属氧化物外，二维材料、过氧化物和有机材料等新材料也逐渐成为基于忆阻器的仿生物触觉器件的重要材料来源。随着智能制造和人机交互的快速发展基于忆阻器的仿生物触觉器件在工业领域的应用潜力巨大。在人机交互方面这些器件可以协助机器人完成具有挑战性、危险性和高精度的任务，从而提高工业生产效率降低劳动力成本。此外，它们还可应用于智能手套、智能医疗等领域，通过医疗设备实现对人体组织的精细感知和操控，协助人类完成更精细的操作。图15 提供了基于忆阻器的仿生物触觉设备的材料分类和未来前景描述了其开发过程中使用的各种材料，并强调了未来研究和应用的潜在方向。

事实上，尽管基于忆阻器的仿生物触觉设备已经取得了长足的发展，但仍存在一些技术挑战限制了其商业化和实际应用的进一步发展。首先，需要解决结构设计问题。要实现高分辨率和大面积的触觉传感，需要对多个忆阻器和电子元件进行高效集成和封装。有必要探索新型忆阻器触觉传感器，如用于人造皮肤或柔性传感器的忆阻器阵列，以实现更高分辨率和大面积触觉传感。其次，信号处理和模型建立也是一项挑战。基于忆阻器的仿生触觉设备的输出信号是电阻变化，需要复杂的信号处理和解码方法才能将其转换为触觉反馈。此外，忆阻器的电阻值易受多种外部因素的影响，这导致传感器信号处理的复杂性增加。为解决这一问题有必要结合神经网络算法和深度学习等先进的信号处理技术，以提高信号处理的效率和准确性。最后，设备的材料选择也带来了挑战。换句话说，传感器材料和结构的应用还存在许多挑战，如材料的生物相容性、机械强度和长期耐久性等，需要进一步优化和改进。有必要寻找新的材料和制造工艺，以增强传感器结构的灵活性、多样性和物理性能，从而提高耐久性和机械强度。面对这些挑战和机遇，相信随着基于忆阻器的仿生物触觉装置的进一步发展和优化，将会为机器人智能、医疗诊断和虚拟现实等领域带来更多的创新和突破。

总之，基于忆阻器的仿生物触觉设备的研究仍处于发展阶段，克服现有的挑战和限制至关重要。不过，随着忆阻器技术的不断成熟和优化，这些设备有望变得更加适用和可靠，为人工智能的发展提供强有力的支持。

文献链接

Memristor-Based Bionic Tactile Devices: Opening the Door for Next-Generation Artificial Intelligence

https://doi.org/10.1002/smll.202308918

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