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據(jù)悉，理解視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺這五種感官仍然是神經(jīng)科學(xué)的前沿領(lǐng)域。之江實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在開發(fā)一系列低成本、節(jié)能的傳感器，以及先進(jìn)的智能傳感技術(shù)。

之江實(shí)驗(yàn)室成立于2017年，坐落于杭州城西科創(chuàng)大走廊核心地帶，是浙江省委、省政府深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、探索新型舉國體制浙江路徑的重大科技創(chuàng)新平臺(tái)。2021年，之江實(shí)驗(yàn)室納入國家實(shí)驗(yàn)室體系。實(shí)驗(yàn)室以“打造國家戰(zhàn)略科技力量”為目標(biāo)，由浙江省人民政府主導(dǎo)舉辦，實(shí)行“一體兩核多點(diǎn)”的運(yùn)行架構(gòu)，主攻智能感知、人工智能、智能網(wǎng)絡(luò)、智能計(jì)算和智能系統(tǒng)五大科研方向，重點(diǎn)開展前沿基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和核心系統(tǒng)研發(fā)，建設(shè)大型科技基礎(chǔ)設(shè)施和重大科研平臺(tái)，搶占支撐未來智慧社會(huì)發(fā)展的智能計(jì)算戰(zhàn)略高點(diǎn)。

劉教授、鄺教授及其團(tuán)隊(duì)成員開發(fā)了用于傳感器打印的高通量3D納米分辨率激光直寫機(jī)

智能傳感

之江實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行將類似人類的感知集成到傳感設(shè)備中的新型傳感器技術(shù)和信號(hào)處理的先進(jìn)結(jié)合。

理解視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺這五種感官仍然是神經(jīng)科學(xué)的前沿領(lǐng)域。為了探索這些過程，研究人員經(jīng)常嘗試模擬自然。

例如，20世紀(jì)50年代，康奈爾大學(xué)(Cornell University)已故心理學(xué)家弗蘭克·羅森布拉特(Frank Rosenblatt)模仿蒼蠅眼睛中的布線和處理過程，制造了一個(gè)充滿迷宮般的電線和電子設(shè)備的設(shè)備，稱為感知器。像這樣的研究，現(xiàn)在由先進(jìn)的計(jì)算提供動(dòng)力，正在創(chuàng)造一個(gè)名為智能傳感的新研究領(lǐng)域，許多科學(xué)家在中國杭州的之江實(shí)驗(yàn)室探索這個(gè)領(lǐng)域。

之江實(shí)驗(yàn)室智能傳感研究所所長(zhǎng)劉旭說:“智能傳感是對(duì)人類感知周圍物體和環(huán)境的感知模式的模仿和近似?！叭祟惖囊曈X、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺都有自己的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它們都以特定的方式計(jì)算。它不僅是機(jī)械的感知過程，而且是物理感知、神經(jīng)信息處理和大腦皮層識(shí)別的結(jié)合，形成了人類對(duì)周圍環(huán)境的認(rèn)知?！?/p>

制造更智能的傳感器

智能傳感的進(jìn)步很大程度上依賴于更先進(jìn)的傳感器，比如由傳統(tǒng)數(shù)字傳感器與信號(hào)處理電路和計(jì)算存儲(chǔ)器結(jié)合而成的所謂智能傳感器?！斑@些類型的傳感器將很快進(jìn)入市場(chǎng)，但它們只能被視為智能傳感器的初步類型，”劉教授說，因?yàn)楦悄艿膫鞲衅鬟€在開發(fā)中。

之江實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在開發(fā)一系列低成本、節(jié)能的傳感器，以及先進(jìn)的智能傳感技術(shù)?！霸?之江實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)大的人工智能研究基礎(chǔ)上，我們將專注于開發(fā)模仿人類五感的智能視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺傳感器，這可以提供變革性的技術(shù)和設(shè)備，如未來的人形機(jī)器人、聚合媒體技術(shù)和新的人機(jī)交互界面。此外，這些傳感器將推動(dòng)信息技術(shù)的發(fā)展達(dá)到更高的水平，”劉教授解釋道。

例如，這些科學(xué)家模仿聽覺感知，在顯微鏡中集成了一個(gè)20 MHz - 120 MHz的超聲波換能器，可以對(duì)1厘米深的樣品進(jìn)行成像，分辨率小于10 μm。在視覺傳感領(lǐng)域，之江實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在研究應(yīng)用于體內(nèi)亞細(xì)胞病理學(xué)研究和多器官診斷和治療的技術(shù)。最后，在努力復(fù)制觸覺的過程中，這些科學(xué)家還開發(fā)了一種基于微納米纖維的智能觸覺傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)壓力、滑動(dòng)、溫度、濕度和角度做出準(zhǔn)確的反應(yīng)。

制造更好的傳感器

雖然承認(rèn)這些突破刺激了現(xiàn)有傳感器的發(fā)展，如電荷耦合器件(ccd)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)芯片，但研究人員可以相信，未來的傳感器將更加先進(jìn)。

劉教授說:“我們把目前的CCD和CMOS圖像傳感器稱為工業(yè)時(shí)代的視覺傳感器，我們希望開發(fā)新型的視覺、嗅覺、味覺和觸覺傳感器，我們將其定義為仿生智能傳感器?！薄耙虼?，我們?cè)O(shè)計(jì)并建造了之江實(shí)驗(yàn)室智能感知設(shè)施，這是一個(gè)用于智能傳感器研發(fā)的大型科技基礎(chǔ)設(shè)施。”

這一研發(fā)設(shè)施將使之江實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家能夠在智能傳感的各個(gè)方面開展工作。劉教授解釋道:“構(gòu)建全鏈智能傳感器研發(fā)平臺(tái)，能夠?qū)⑽甯袀鞲胁牧?、大?guī)模陣列高速讀出電路、基于類人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能芯片等進(jìn)行融合，支持類人五感器件的創(chuàng)造，形成新的智能傳感系統(tǒng)，為更高效、更穩(wěn)健的機(jī)器智能服務(wù)?！?/p>

科研成果

高通量光學(xué)納米光刻與成像裝置

以雙光束激光納米直寫技術(shù)為核心，突破激光直寫突破衍射極限、復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)大面積制備及多通道高速成像這三個(gè)科學(xué)問題，已完成單路激光直寫系統(tǒng)光學(xué)調(diào)制模塊的系統(tǒng)搭建，實(shí)現(xiàn)了亞50nm的結(jié)構(gòu)刻寫精度與25nm的懸浮線刻寫，在微納加工與制造領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)水平，為我國在傳感器領(lǐng)域支撐生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域科學(xué)問題的研究提供有效的儀器和設(shè)備平臺(tái)。

基于光動(dòng)量效應(yīng)的極弱力與加速度測(cè)量科學(xué)裝置

面向非牛頓引力、卡西米爾效應(yīng)等世界科技前沿與量子慣性導(dǎo)航國家重大需求，建立了光動(dòng)量傳感理論模型、指標(biāo)體系和評(píng)測(cè)方法，突破了高真空光阱穩(wěn)定懸浮、亞皮米級(jí)三軸解耦位置探測(cè)、毫開爾文級(jí)敏感單元質(zhì)心運(yùn)動(dòng)冷卻等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了光動(dòng)量傳感仿真軟件、真空控制系統(tǒng)、傳感信號(hào)處理系統(tǒng)等支撐系統(tǒng)，完成之江實(shí)驗(yàn)室第一代極弱力與加速度科學(xué)裝置研制，實(shí)現(xiàn)極弱力探測(cè)靈敏度達(dá)3.4×10-19N/Hz1/2、分辨率達(dá)4.6×10-21N，核心指標(biāo)居國際先進(jìn)水平。

之江實(shí)驗(yàn)室智能感知研究院類人感知研究中心科研動(dòng)態(tài)

之江實(shí)驗(yàn)室軟體光致動(dòng)器研究成果登上《自然》子刊

“你相信光嗎？”

在腔道縱橫的人體內(nèi)自由潛行，

充當(dāng)患者復(fù)原的外骨骼，

在微米尺度上抓取任意細(xì)胞……

之江實(shí)驗(yàn)室最新研究成果表明：

“一束光”的驅(qū)動(dòng)蘊(yùn)含巨大應(yīng)用潛力。

1月18日，《自然通訊》（Nature Communications）刊發(fā)了之江實(shí)驗(yàn)室最新研究成果“基于微納光纖的光波導(dǎo)型軟體光致動(dòng)器”（Optical fibre taper-enabled waveguide photoactuators），展示了提升光致動(dòng)器變形性能的新思路。之江實(shí)驗(yàn)室類人感知研究中心肖建亮博士為論文第一作者，之江實(shí)驗(yàn)室類人感知研究中心張磊教授、楊文珍教授，浙江大學(xué)王攀研究員為共同通訊作者。

之江實(shí)驗(yàn)室類人感知研究中心肖建亮博士

“軟體致動(dòng)器”是什么？

也許你對(duì)它感到陌生，但它在人工肌肉、物體抓取、仿生運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出“過人”的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

軟體致動(dòng)器+光=？

憑借遠(yuǎn)程傳輸便利、多參數(shù)可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，大自然中隨處可見的空間光成為主流驅(qū)動(dòng)方式之一，被學(xué)界和工業(yè)界寄予厚望。

然而，自由空間光驅(qū)動(dòng)存在一些與生俱來的缺陷：容易被物體遮擋，在體內(nèi)腔道、彎曲管道等光線無法直達(dá)的場(chǎng)景內(nèi)難以工作；長(zhǎng)距離傳輸受散射、折射影響大，導(dǎo)致遠(yuǎn)距離隔空照射精準(zhǔn)定位難、光強(qiáng)波動(dòng)大；如果要精準(zhǔn)控制運(yùn)動(dòng)中的物體，操作光束的難度就更大了。

采用柔性光波導(dǎo)，將光引導(dǎo)到致動(dòng)器內(nèi)，是解決空間光型致動(dòng)器在復(fù)雜開放場(chǎng)景下應(yīng)用難題的新思路。

光波導(dǎo)型致動(dòng)器的材料選擇，一般采用技術(shù)相對(duì)成熟的普通商用光纖。但商用光纖整體厚度大（直徑多在125微米）、光耦合效率低、能量密度低，導(dǎo)致其變形幅度小、速度慢，無法滿足很多實(shí)際應(yīng)用需求。如果1毫瓦的微弱光線經(jīng)由100微米以上的光纖傳導(dǎo)至致動(dòng)器，光的能量密度并不高，且會(huì)因?yàn)楣饫w和光響應(yīng)材料的尺寸不匹配，導(dǎo)致不少能量散失。

作為一支擁有光學(xué)和材料學(xué)交叉學(xué)科背景的團(tuán)隊(duì)，之江實(shí)驗(yàn)室類人感知研究中心的觸覺感知研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)假設(shè)：能否用微納光纖“破題”柔性光致動(dòng)器？

在項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張磊教授的啟發(fā)與指導(dǎo)下，肖建亮與團(tuán)隊(duì)成員在10個(gè)月內(nèi)就得出了主體數(shù)據(jù)，最終成功將這一創(chuàng)新性設(shè)想付諸實(shí)踐。現(xiàn)在，眼前這個(gè)長(zhǎng)3厘米，寬0.5毫米的微小裝置就是團(tuán)隊(duì)鏖戰(zhàn)一年半的成果。

微納光纖光致動(dòng)器結(jié)構(gòu)

肖建亮介紹，微納光纖的微小尺寸，加上光響應(yīng)材料的光熱效應(yīng)和熱膨脹系數(shù)不匹配機(jī)理是“破題”的關(guān)鍵?！拔⒓{光纖擁有納米級(jí)尺寸，令光致動(dòng)器的厚度降至70微米，更加柔軟靈活。同時(shí)，更小的直徑提高了能量密度和利用率，可以顯著提升致動(dòng)器變形能力。”

微納光纖光致動(dòng)器工作機(jī)理

肖建亮展示了這一裝置的不俗表現(xiàn)：變形角度大，可彎折超過270度；響應(yīng)速度快，1.8秒內(nèi)迅速彎曲180度；能耗低于0.55 毫瓦/度，大幅提升了柔性光波導(dǎo)型致動(dòng)器的綜合性能。

微納光纖光致動(dòng)器在不同驅(qū)動(dòng)功率下的變形角度及其響應(yīng)速度

用該裝置構(gòu)建的單臂和雙臂柔性抓手，不僅能抓取不同形狀、大小的物體，還能抓起自身重量70倍的物體，是個(gè)柔軟靈活的“大力士”。如果裝載到電動(dòng)導(dǎo)軌上，還可以在大范圍內(nèi)抓取、移動(dòng)、操控物體，彌補(bǔ)了空間光致動(dòng)器“精準(zhǔn)操作難”的缺陷。