傳感新品

【西北工業大學：計算機輔助的超穩健軟體機器人應變傳感器】

柔性應變傳感器對實現軟體機器人運動感知和自主巡航至關重要。然而，軟體機器人在復雜動態的工作環境中的連續變形對應變傳感器的按需制造和長期穩健性帶來了挑戰。這需要精確的傳感器建模以及傳感器力-電耦合結構的可控制造。

該論文介紹了一種計算機輔助的傳感器設計。研究人員采用環境穩定的單壁碳納米管（SWNT）來制備應變傳感器。通過激光輔助方法，精確制造傳感器的微納結構紋理，顯示出高度可控的微裂紋生長行為和靈活可調的傳感器特性。通過輸入包括裂紋密度和微納褶皺特征在內的傳感器結構參數，建立相應的有限元分析（FEA）模型，模擬力-電雙物理場演變，高精度地預測了不同傳感器的傳感曲線。實驗結果表明，基于可控的裂紋生長和微納褶皺特征，實現了傳感器的良好穩健性。在此基礎上，構建了軟體機器人的自主感知和巡航系統。

研究背景和主要成果

軟體機器人具有靈活的身體變形和出色的運動敏捷性，為其在非結構化環境中的動態任務提供了靈活、安全的交互。為了使軟體機器人能夠智能地和環境交互，需要在機器人身體結構中集成柔性應變傳感器。它可以實時感知各種環境刺激，實現機器人本體運動和周圍環境的靈敏感知，為機器人自主巡航奠定基礎。然而，機器人的高自由度連續體變形和多模態運動對應變傳感器的設計提出了巨大的挑戰。一方面，為了滿足具有不同運動行為或身體尺寸的軟體機器人的差異化感知需求，亟需實現傳感器性能的按需設計（靈敏度和線性工作窗口）。而這通常需要探索不同的設計原理和多次試錯實驗，耗時耗力，效率低下。另一種方法是開發傳感器建模工具，利用數理統計或物理模擬，根據器件組成和形態對傳感器特性進行模擬和優化。然而，這種方法面臨著傳統柔性應變傳感器無法準確預測其結構動態演變的挑戰。

另一方面，在當前軟體機器人技術發展中，傳感器的穩健性問題日益受到重視。當前的柔性應變傳感器的穩定性測試往往局限于單調和重復的條件，無法復現軟體機器人的真實復雜的工作環境。在實際應用中，軟體機器人需要在多變且嘈雜的環境中運作，常面臨著外力干擾和意外變形。這要求軟體機器人的傳感系統即使在間歇性工作和變頻操作下也能保持穩定。然而，大部分傳感器在動態監測中易受到材料或結構破壞的影響，進而導致信號失真和反饋能力下降。因此，開發能在復雜動態環境中保持高度魯棒性的傳感器，是推進軟體機器人技術在實際應用的重要一環。

在此，西北工業大學黃維院士團隊楊海濤教授和新加坡國立大學Ho Ghim Wei教授團隊解決了軟體機器人傳感器的建模和穩定性難題。通過精準的激光加工技術和定制化的微裂紋紋理，實現了傳感器特性的精確控制和建模。借助有限元分析模型，實現了傳感器在復雜力學負載下響應曲線的模擬，確保了在極端條件下的長期穩定性。特別的，這些傳感器在面對高達50%應變、10萬次循環負載以及0-23 Hz的動態頻率變化時，展現出了優異的魯棒性。利用機器學習算法，這種傳感系統被成功集成于軟體機器人中，實現了精確的軌跡追蹤（機器人軌跡預測誤差<4%）和環境感知（地形高度感知誤差<10%），顯著提升了機器人的自主巡航能力。此項成果標志著軟體機器人技術在本體感知和自主決策領域邁出了重要一步。

研究要點

要點1：作者開發了一種計算機輔助設計的傳感器，建立了基于褶皺內可編程裂紋陣列（PCAM）的傳感器力-電雙物理場模型。這一模型能夠在無需實驗的情況下，通過輸入結構參數ρ（裂紋密度）和φ（熱收縮率）來準確預測傳感器在不同應變下的電阻變化，與實驗數據吻合良好。研究還發現，φ值的變化對SWNT層的楊氏模量有影響，當φ增大時，楊氏模量下降，這是由于微納褶皺結構的變化所致。這些發現不僅驗證了有限元工具在傳感器性能預測中的有效性，還深入理解了傳感器的設計原理，并證明了通過調整ρ和φ值來優化傳感器性能的可能性。

要點2：作者研究了PCAM傳感器在不間斷機械變形下的穩健性，其中包括“拉伸→扭轉→拉伸→彎曲→拉伸”組成的動態機械載荷序列。研究發現，相較于無微納特征的平面傳感器的大范圍的信號波動，PCAM傳感器在多次拉伸過程中保持穩定，具有一致的感測信號。此外，在動態工作頻率范圍內，PCAM傳感器表現出穩定的傳感響應，使其可廣泛應用于軟體機器人中。

要點3：作者將PCAM傳感器成功集成到不同類型的軟體機器人中，包括折紙機器人、氣動機器人和微型機器人。這些傳感器能在機器人變形后保持功能完整，實現多模態運動監測、表面識別和障礙物檢測。通過探究傳感信號與機器人動作狀態之間的關聯，研究者建立了一個智能傳感器網絡，并應用機器學習算法精確預測了機器人的運動軌跡，模型的相對誤差(RE)和絕對誤差(AE)分別低于4%和3cm。這種技術使得集成PCAM傳感器的機器人能夠通過對周圍環境的感知進行自主導航。

總結：本研究成功研發出了一種計算機輔助設計的應變傳感器，利用褶皺內裂紋編程陣列，實現了傳感器的高度定制和超穩定性。這種PCAM傳感器通過控制裂紋密度和收縮率等參數，精確調節其靈敏度和工作范圍，并利用有限元工具進行高精度傳感建模。該傳感器在各種復雜條件下展現出卓越的魯棒性，適用于各規模的軟體機器人，增強了機器人的感知和智能巡航能力。此外，通過將人工神經網絡算法集成到傳感器增強的折紙機器人中，實現了機器人的高精度軌跡預測和環境感知，能夠有效執行從密閉空間操作到遠程控制等多樣化任務。這項技術不僅為軟體機器人在未知環境中的應用開辟了新路徑，也為實現更高層次的機器人協同工作和群體智能提供了強有力的支持，展望未來，通過進一步開發集成多傳感器的機器學習算法，軟體機器人的能力和應用領域將得到更廣泛的拓展。

傳感動態

【“臺風”戰斗機將安裝人工智能傳感器套件】

據防務快報網3月26日報道，空中客車公司已同意與瑞典制造商薩博公司簽訂一份為期三年的合同，將其Arexis模塊化電子戰(EW)傳感器設備集成到德國歐洲戰斗機“臺風”EK（電子戰）戰斗機上。

薩博首席執行官MicaelJohansson表示：“我們的Arexis傳感器套件將先進的硬件和人工智能軟件相結合，將在未來幾十年內通過面向未來的電子戰能力加強德國的防御。”

薩博表示，德國國防采購辦公室于2023年6月選擇Arexis擔任該角色，并“標志著該計劃的第一階段”交付，之后發布了該訂單。

該制造商補充說，總共15架EurofighterEK噴氣式飛機將安裝傳感器套件以及其他電子戰“解決方案”。這些新飛機將在2030年退役時取代德國空軍龍卷風ECR（電子作戰/偵察）平臺。

薩博還指出，Arxis將采用由歐洲人工智能防御初創公司合作伙伴Helsing提供的“人工智能平臺”。

2023年11月，空客表示，為歐洲戰斗機EK噴氣式飛機選擇的人工智能“解決方案”“使得分析機上雷達數據并快速確定精確的自我保護措施成為可能。”

Arexis最初是為集成在SaabGripenE/F戰斗機上而開發的，被宣傳為“隱形僚機”和一個“具有智能軟件和高科技模塊化組件的系統，在經過驗證和測試的架構中占地面積小”。

德國歐洲戰斗機EK飛機也將配備諾斯羅普·格魯曼公司制造的AGM-88E2先進反輻射制導導彈（AARGM）。空中客車公司表示，AARGM和Arexis的結合將使飛機能夠“探測、定位和禁用防空雷達”。

這種反輻射導彈是諾格為美國海軍開發的，并裝備在F/A-18C/D、FA-18E/F和EA-18G戰斗機上，不過該部隊此后優先生產增程型導彈（AARGM-ER）基于武器制導和控制部分的修改以及新型火箭發動機的集成。根據海軍航空局的一份情況說明書，該導彈的主要任務是探測和打擊“可重新定位的綜合防空（IAD）目標”。

【AMD 自適應計算技術助力索尼半導體解決方案激光雷達汽車參考設計】

AMD（超威）于2024 年 3 月 19 日宣布，其尖端自適應計算技術為索尼半導體解決方案（ SSS ）所選用，用于其最新汽車激光雷達（ LiDAR ）參考設計。SSS 作為圖像傳感器技術領域的全球領導者，此次與 AMD 攜手帶來用于自動駕駛汽車的強大且高效的激光雷達解決方案。采用 AMD 自適應計算技術顯著擴展了 SSS 激光雷達系統功能 ，為下一代自動駕駛解決方案提供了非凡的精度、更快的數據處理以及高可靠性。

在快速演進的自動駕駛領域，對精確可靠的傳感器技術的需求從未如此強烈。激光雷達（光探測和測距）技術在為各行業實現深度感知和環境測繪方面發揮著關鍵作用。激光雷達能提供圖像分類、分割以及目標檢測數據，這些數據對于由人工智能（ AI ）加強的 3D 視覺感知至關重要，因為其無法僅依靠攝像頭提供，尤其是在弱光或惡劣天氣下。專用激光雷達參考設計通過標準化平臺解決了自動駕駛汽車開發的復雜性問題，能以更高的安全性駕馭不同駕駛場景。

AMD 公司副總裁兼自適應計算事業部總經理 Yousef Khalilollahi 表示：“激光雷達技術及其 AI 增強感知功能正以非凡的速度發展，支持部署越來越多的應用。我們與索尼半導體解決方案的合作將 AMD 自適應計算集成到其激光雷達參考設計中，體現了我們致力于在關鍵行業領域突破技術邊界并推動創新的努力。”

索尼半導體解決方案公司汽車開發部總經理 Takayoshi Ozone 表示：“此次與 AMD 的技術合作展現了我們在承諾為激光雷達應用提供尖端解決方案方面的重大飛躍。通過將 AMD 自適應計算技術融入我們的激光雷達參考設計，我們已準備好在性能、可靠性和靈活應變能力方面樹立新標準。”

【車規級芯片研發生產企業落戶湖北武漢，產品直供國內頭部整車工廠】

3月26日，長江日報記者從有關渠道獲悉，英弗耐思電子科技有限公司（以下簡稱英弗耐思）已發生工商變更，注冊地從江蘇鎮江遷移到武漢經開區，并增加注冊資本。至此，武漢經開區迎來又一車規級芯片企業落戶。

英弗耐思成立于2021年，專注于提供車規級專用模擬芯片、高性能功率驅動芯片及其應用解決方案。團隊深耕汽車、模擬芯片行業近20年，已自主研發多款車規級芯片，其開發的新能源汽車集成電源系統在功耗、效率、體積等指標上行業領先。公司產品供貨于廣汽、東風、長城、陜汽等國內頭部整車制造廠，贏得車谷產業發展基金等機構的資本青睞。

搭載英弗耐思自研芯片的汽車座艙中央控制器。

英弗耐思創始人、董事長李威博士介紹，隨著公司的發展壯大，團隊和業務大多集聚到了武漢，目前武漢研發人員超70人。公司應用于電動化、智能化領域的汽車專用芯片和電源模塊等產品，需要與客戶密切交流，“布局武漢就是選擇來到客戶身邊，方便就近配套”。

在李威博士看來，武漢經開區是湖北省汽車產業主陣地、“武襄十隨”國家級汽車產業集群的核心承載區，正全力打造新能源汽車全產業鏈發展示范區，新能源汽車產業集群優勢明顯，發展前景廣闊。他透露，眼下公司正在緊鑼密鼓考察選址，計劃在車谷布局車規級芯片研發及應用產業化基地，主要用于芯片研發設計，以及新能源汽車電源模塊、大功率充電模塊產品研發與制造等。

近年來，武漢經開區充分發揮國有資本的杠桿帶動作用，以基金撬動產業創新。2023年，武漢經開產業投資集團有限公司發起設立車谷產業發展基金，推出總規模為500億元的車谷產業發展基金，聚焦智能網聯新能源汽車、電子信息、智能制造、數字經濟、醫療裝備等重點產業，加快形成新質生產力，目前該產業基金已招引英弗耐思、沃德通、英特模等一批企業相繼落戶。

【監測海洋污染物的傳感器分類與應用】

海洋是地球上最大的水體，它對人類的生存和發展具有重要的作用。然而，海洋也面臨著各種來源和類型的污染物的威脅，如重金屬、有機物、營養鹽、微塑料等。這些污染物對海洋的生態系統和資源可能造成不可逆轉的損害和影響。因此，監測和評估海洋污染物的含量和形態對于保護海洋環境和資源具有重要意義。

傳感器和生物傳感器是一種利用特定的識別元件與目標分子發生相互作用，并將其轉化為可檢測的信號的裝置，它可以實現對海洋污染物的快速、靈敏、選擇性的檢測。傳感器和生物傳感器在監測海洋污染物方面有廣泛的應用，如測定海水中的重金屬、有機物、營養鹽、微塑料等。傳感器和生物傳感器主要包括以下幾種類型：

01電化學傳感器和生物傳感器

電化學傳感器和電化學生物傳感器差別就在于“生物”兩個字，其最主要的區別就是兩者所使用的識別元件不同。它們的不同點是，電化學生物傳感器的識別元件以生物中的活性單元為主，例如抗原、抗體、酶、適配體、微生物或者整個細胞等。相同點在于，它們都是一類以電極作為體系中的信號轉換器，不管使用任何識別元件來識別待測物，并以電流、電導（阻抗）或電勢等變化作為特征檢測信號，利用化學反應原理，把有機物質或者無機物質所含的濃度、組成成分等，轉換為電信號。

相關的傳感器主要包括：

⑴電化學蛋白質傳感器

電化學蛋白質傳感器是以蛋白質作為敏感元件，并把目標物與蛋白質的反應和電化學分析功能相結合，從而輸出電信號的檢測器。作為敏感識別元件的蛋白質主要包括了凝血酶，金屬蛋白酶(MMP)，辣根過氧化酶以及幾種常見的血紅素蛋白如血紅蛋白(Hb)、肌紅蛋白和細胞色素等。

⑵電化學免疫傳感器

基于抗原抗體結合的生物傳感器被稱為免疫傳感器，其識別元件是具有特異性結合能力的生物受體。其特點是易于操作，靈敏度高，成本低，易于集成和體積小。抗體是目前應用最廣泛的分子之一，因其高度的特異性和親和力，被應用于色譜分析、診斷、免疫分析和生物傳感器等各個方面。

⑶電化學核酸適配體傳感器

核酸適配體(Apt)是通過指數富集配體系統進化技術(SELEX)由DNA或RNA的隨機序列文庫提取的一種短鏈核酸。其特征在于對于特定靶標具有識別和結合的功能，且性質穩定，容易修飾和合成，能夠與毒素、抗生素和病毒等多種目標分子結合。電化學核酸適配體傳感器是指，以核酸適配體為識別元件，通過與靶標發生特異性反應而產生的信號，從而達到對靶標的定性和定量檢測。

⑷電化學微生物傳感器

電化學微生物傳感器通常以電極生物膜作為傳感元件，并通過細胞外電子轉移(EET)與電極進行通信。電極生物膜通常是自組裝的，電活性微生物可以作為生物膜附著在電極上，因為電極可以作為微生物呼吸過程的固體電子供體或受體。

02光學傳感器和生物傳感器

光學傳感器是一種利用光學原理進行檢測和測量的生物傳感器，是一種利用光纖或光學材料作為識別元件，并將目標分子與光纖或光學材料之間的光學性質變化轉化為光信號的裝置，它具有選擇性高、干擾小、穩定性好等優點。常用的光學傳感器和生物傳感器有吸收法、熒光法、發光法、表面等離子體共振法等。它可以通過測量光的吸收、散射、發射等特性來獲得目標物質的信息，光學傳感器具有高靈敏度、快速響應和非破壞性等特點，廣泛應用于生物醫學、環境監測和食品安全等領域。

光學傳感器的制備方法主要包括吸附法、光纖傳感法和表面增強拉曼散射法等。吸附法通過將目標物質吸附在傳感器表面，利用吸附物質與光的相互作用來實現檢測；光纖傳感法利用光纖的傳輸特性，將光信號傳輸到傳感器中進行檢測；表面增強拉曼散射法通過表面增強拉曼散射效應來增強光信號，提高傳感器的靈敏度。

光學傳感器的性能評價主要包括靈敏度、選擇性、響應時間和穩定性等指標。靈敏度是指傳感器對目標物質的檢測能力，選擇性是指傳感器對目標物質與其他物質的區分能力，響應時間是指傳感器從檢測到目標物質的響應所需的時間，穩定性是指傳感器在長時間使用過程中的性能變化情況。

生物傳感器在生物醫學、環境監測和食品安全等領域具有廣泛的應用。在生物醫學領域，生物傳感器可以用于疾病診斷、藥物篩選和治療監測等。在環境監測領域，生物傳感器可以用于水質監測、大氣污染監測和土壤污染監測等。在食品安全領域，生物傳感器可以用于食品質量檢測、食品添加劑檢測和食品中毒物質檢測等。

03納米傳感器和生物傳感器

是一種利用納米材料或納米結構作為識別元件，并將目標分子與納米材料或納米結構之間的特殊性質變化轉化為信號的裝置，它具有靈敏度高、響應快、功能多樣等優點。常用的納米傳感器和生物傳感器有金屬納米粒子、碳納米管、石墨烯、量子點等。主要組成部分是納米材料，如納米電子、納米氣相沉積、納米顆粒等，這些納米材料可以與水中的各種元素發生化學反應，從而實現對水質的實時檢測。

利用納米技術制作的傳感器，尺寸減小、精度提高、性能大大改善，納米傳感器是站在原子尺度上，從而極大地豐富了傳感器的理論，推動了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應用領域。納米技術傳感器主要包括納米化學和生物傳感器、納米氣敏傳感器和其他類型的納米傳感器（壓力、溫度和流量等），現已在生物、海洋環境、化學、機械、航空、軍事等領域獲得廣泛的發展。

納米傳感器已經應用于水質監測中，可以檢測水中的氧氣、二氧化碳、pH值、氨氮、硝酸鹽、有機物等參數。例如，納米傳感器可以檢測水中的氧氣濃度，并將其轉化為電信號輸出，從而實現水質的實時監測。納米傳感器還可以檢測水中的二氧化碳濃度，并將其轉化為光信號輸出，從而實現水質的可視化監測。

綜上所述，傳感器技術在水質監測中起著至關重要的作用，其創新與應用將對未來水質監測技術的發展產生重要的影響。傳感器和生物傳感器在監測海洋污染物方面還有很多潛力和應用前景，例如：利用電化學傳感器和生物傳感器測定海水中的重金屬和有機物，如鉛、鎘、汞、苯、酚等；利用光學傳感器和生物傳感器測定海水中的營養鹽和微塑料，如氮、磷、硅、聚乙烯、聚丙烯等；利用納米傳感器和生物傳感器測定海水中的生物標志物和病原體，如藻類色素、蛋白質、DNA、細菌、病毒等。

審核編輯 黃宇