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軀體感受系統(tǒng)中的多模態(tài)感知可幫助人們獲得更全面的物體屬性，并對(duì)物體的狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷，尤其是不同受體的感覺信號(hào)在一定的條件下還可被神經(jīng)元整合并發(fā)送到大腦皮層作進(jìn)一步處理(圖1a)。與單模態(tài)感知相比，多模態(tài)融合感知在評(píng)估物體屬性和提高物體識(shí)別精度方面具有明顯優(yōu)勢。
在傳統(tǒng)的人工感知系統(tǒng)中，多模態(tài)信息的處理多采用串行計(jì)算架構(gòu)，傳感信號(hào)需轉(zhuǎn)換為數(shù)字模式才能被處理器處理，產(chǎn)生了較大的功耗和通信帶寬開銷。此外，傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)在脈沖域構(gòu)建這種多模態(tài)感知系統(tǒng)還面臨著器件集成和電路復(fù)雜性方面的挑戰(zhàn)，迫切需要開發(fā)更高效的多模態(tài)融合感知硬件方案。生物感知系統(tǒng)具有并行分布式感官信息處理、低能耗、高容錯(cuò)性等特點(diǎn)，顯示出克服傳統(tǒng)困境的巨大潛力。
近日，中國科學(xué)院院士、中科院微電子研究所研究員劉明團(tuán)隊(duì)和復(fù)旦大學(xué)教授劉琦團(tuán)隊(duì)共同研發(fā)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的多模態(tài)融合感知脈沖神經(jīng)元(MFSN)陣列，該陣列由異質(zhì)集成的壓力傳感器和NbOx憶阻器構(gòu)成(圖1b)，其中壓力傳感器用來感知壓力，NbOx憶阻器用來產(chǎn)生脈沖輸出并感知溫度變化。當(dāng)壓力和溫度兩種激勵(lì)同時(shí)作用于MFSN時(shí)，多模態(tài)的模擬感覺信息可以融合為一個(gè)脈沖序列，顯示出優(yōu)異的數(shù)據(jù)壓縮和脈沖轉(zhuǎn)換能力。
此外，通過解耦輸出脈沖的頻率和振幅，還可從融合信號(hào)中獲得獨(dú)立的壓力和溫度信息，支持了神經(jīng)元對(duì)于單模態(tài)信息的保真度和多模態(tài)感知能力。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將MFSN陣列與脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)結(jié)合構(gòu)建了一種人工多模態(tài)感知系統(tǒng)，成功模擬了人體軀體感覺系統(tǒng)中的多模態(tài)信息(溫度和壓力)感知和多模態(tài)物體(不同溫度、重量和形狀的物體)的分類能力。該工作使構(gòu)建高效的多模態(tài)脈沖感知系統(tǒng)成為可能，為發(fā)展高智能機(jī)器人技術(shù)提供了新思路。
圖1 生物軀體感覺系統(tǒng)與人工體軀體感覺系統(tǒng)。a 人手感知杯子的溫度、重量和水杯形狀的示意圖；b 由MFSN陣列和SNN分類器組成的人工軀體感覺系統(tǒng)模擬觸覺感知的示意圖。
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