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賦能時序邏輯的尋址車原型。受訪者供圖在1米見方的“紙箱迷宮”中，一輛“尋址車”——在特殊環(huán)境中能自動規(guī)劃路線的設(shè)備，像螞蟻一樣左試右探，尋找出口。這是一輛特殊的尋址車——無人指揮、沒有遙控，整個尋址過程甚至沒有電池或其他外供能源驅(qū)動?！八樌鰜砹?，只用了約30秒?！敝袊茖W(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生熊瑤告訴《中國科學(xué)報》，盡管小車找到出口的時間長短并非實驗指標(biāo)，但小車出來得太快了，這讓她下意識看了一下時間?！斑@里展示了第一個賦能摩擦納米發(fā)電機(jī)時序邏輯處理功能的原型機(jī)?！敝袊茖W(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員孫其君說，“該原型機(jī)拓展了與電子邏輯兼容的動態(tài)機(jī)械邏輯，結(jié)合對環(huán)境響應(yīng)的能量源，它可以實現(xiàn)自主感知，在沒有任何外部電源的情況下，寫入、擦除和執(zhí)行機(jī)械邏輯運算。賦能摩擦納米發(fā)電機(jī)時序邏輯的原型機(jī)為進(jìn)一步開發(fā)自驅(qū)動分布式邏輯和自適應(yīng)智能感知提供了一個平臺?！苯?，相關(guān)研究成果在《細(xì)胞》姊妹刊Device發(fā)表。材料特性觸發(fā)靈感“這項成果源于我們對摩擦納米發(fā)電材料特性的研究。”論文共同第一作者熊瑤說。熊瑤一直在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和孫其君指導(dǎo)下進(jìn)行摩擦納米發(fā)電材料研究。2021年初，她看到一種尋址車在進(jìn)行功能演示，忽然產(chǎn)生了“尋址車工作原理和摩擦納米發(fā)電材料特性相似”的想法。“很多尋址車在陌生環(huán)境中通過‘碰撞’方式探測路線，像蝸牛依靠觸角探路一樣確定行進(jìn)路線。”熊瑤舉例說，“比如掃地機(jī)器人工作時，會通過碰觸沙發(fā)、桌、椅等家具的方式熟悉室內(nèi)環(huán)境，規(guī)劃工作路線。而摩擦納米發(fā)電機(jī)的本質(zhì)是兩種不同材料的接觸、分離并產(chǎn)生電信號，這和尋址車的工作原理相似?！睆睦碚撋险f，將摩擦納米發(fā)電機(jī)安裝在尋址車前端，能實現(xiàn)對陌生環(huán)境的感知。因此，研究團(tuán)隊最初的想法是利用摩擦納米材料做出一款尋址車，用摩擦納米發(fā)電機(jī)實現(xiàn)感知功能。交叉點即突破點最初，研究團(tuán)隊將摩擦納米發(fā)電機(jī)安裝在尋址車前端，但很快發(fā)現(xiàn)尋址車“碰壁”后似乎“茫然無措”，于是產(chǎn)生了賦予尋址車“決策能力”的想法?！熬褪浅藗鞲泄δ芡?，賦予尋址車類似大腦的功能，讓它根據(jù)檢測到的信號，進(jìn)行自主決策。”論文共同第一作者、團(tuán)隊成員張錦濤說，“這樣尋址車在未知環(huán)境中就能自主地和環(huán)境交互，即使面臨復(fù)雜環(huán)境，在無人監(jiān)督的情況下也能找到出路，這將帶來實際的應(yīng)用價值。”給尋址車安裝“大腦”的想法很簡單，但實現(xiàn)起來并非易事。通過在智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架中局部嵌入自驅(qū)動模塊的“感知—決定—響應(yīng)”回路，研究人員使尋址車具備了自主決策能力，但在實際檢驗中，它卻屢屢“碰壁”。在時序輸入間隔過短或較短時間內(nèi)依次檢測到兩個空間“碰觸”時，時序邏輯決策便會失效。比如，當(dāng)處于狹窄空間時，尋址車左邊先碰撞一次，原型機(jī)立即進(jìn)行決策并發(fā)出右轉(zhuǎn)指令，但小車剛開始執(zhí)行動作就碰到了右邊，原型機(jī)又發(fā)出左轉(zhuǎn)指令。忽左忽右的指令讓尋址車很快陷入“邏輯循環(huán)”，無法執(zhí)行指令?！斑壿嬔h(huán)”不但讓尋址車“無所適從”，也令研究團(tuán)隊一時找不到出路?！霸谒悸肥芟?、不知道怎么辦的時候，孫老師鼓勵我們從數(shù)字電子技術(shù)文獻(xiàn)和書籍中尋找解決辦法?！毙墁幷f。雖然本科時選修過數(shù)字電路課程，熊瑤還是把《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》找出來重新學(xué)習(xí)。她花了兩個多月時間研究數(shù)字電子技術(shù)，并在數(shù)字電路中找到了同樣的邏輯失效現(xiàn)象——競爭與賽跑現(xiàn)象?！笆堋稊?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》啟發(fā)，并經(jīng)過反復(fù)討論、測試，我們最終通過引入第三個動作——后退，解決了死循環(huán)問題。”熊瑤說，“如果僅限于納米材料領(lǐng)域，很難想到解決方案，這反映出學(xué)科交叉的重要性。”走出迷宮，前景廣闊團(tuán)隊設(shè)計了一個復(fù)雜迷宮，用于檢驗自供電組合和時序機(jī)械驅(qū)動邏輯原型機(jī)。實驗中，團(tuán)隊不斷優(yōu)化邏輯電路，并通過在尋址車前端、左前端和右前端添加多個原型機(jī)的方式，讓小車有時空感知能力和邏輯分析決策能力。在此過程中，他們通過傳感器芯片、電池等位置安放，調(diào)整尋址車配重，避免小車自身不穩(wěn)帶來的轉(zhuǎn)向不精準(zhǔn)問題。在反復(fù)調(diào)試中，他們采用麥克納姆輪實現(xiàn)了360度順暢轉(zhuǎn)向，并最終實現(xiàn)了尋址車在無監(jiān)督環(huán)境中，以低功耗方式與外部環(huán)境成功交互?！斑@種原型機(jī)是自供電、低功耗的傳感器?！睂O其君說，“目前市場上的傳感器都需要連接電源。這種無源傳感器在野外探險、救援等特殊場景中優(yōu)勢突出?！睋?jù)研究人員介紹，特殊應(yīng)用場景通?？臻g狹窄，要求探測設(shè)備個頭兒很小，因此外接電源不能設(shè)計過大，導(dǎo)致探測設(shè)備難以持久工作。而這種原型機(jī)在探測的碰撞過程中，既能發(fā)電，又能起到感知作用，因此完美解決了自身供電問題?！皩I(yè)的說法叫‘事件驅(qū)動型’。”論文共同第一作者、團(tuán)隊成員王逸飛解釋說，“簡單說，就是有觸發(fā)事件它才工作，才有反饋。如果沒有事情發(fā)生，它就不工作、不耗電，能夠‘超長待機(jī)’。”該原型機(jī)是片狀結(jié)構(gòu)。和傳統(tǒng)的激光雷達(dá)傳感器、帶攝像頭的視覺傳感器相比，它體積更小，可以方便地安裝在尋址車前端，未來也可以裝備到機(jī)器人上，讓執(zhí)行特殊任務(wù)的機(jī)器人更“聰明”。此外，該原型機(jī)的時序邏輯系統(tǒng)還支持多種類型的傳感設(shè)備，為補(bǔ)償傳感信號提供了多樣選擇，并能獲取更豐富的外部環(huán)境信息。多模態(tài)融合對于協(xié)同自供電原型機(jī)實現(xiàn)更智能的感知、尋址非常有吸引力，可通過將機(jī)械或觸覺傳感信息與從集成光電探測器、攝像頭/掃描儀、全球定位系統(tǒng)、慣性傳感器等獲得的附加傳感數(shù)據(jù)結(jié)合來實現(xiàn)?！斑@種具有時序邏輯的自供電原型機(jī)還可以通過人機(jī)交互終端或腦電波識別模式進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)更復(fù)雜的手勢或腦電波控制，從而推動數(shù)字孿生和交互式神經(jīng)形態(tài)計算的發(fā)展?！睂O其君說，“未來，摩擦納米發(fā)電機(jī)時序邏輯還可以與機(jī)器學(xué)習(xí)算法集成，實現(xiàn)高效的信號處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信息處理和決策，進(jìn)一步促進(jìn)該技術(shù)在智能傳感、自主決策和人機(jī)交互等領(lǐng)域的應(yīng)用?！毕嚓P(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100472（原載于《中國科學(xué)報》?2024-10-28?第3版?綜合）