港科大團隊研發多功能、可重構和抗破壞單線感測器陣列

香港科技大學（HKUST）的研究人員開發出一種受人類聽覺系統啟發的感測器陣列設計技術。透過模仿人耳根據音位分佈來區分聲音的能力，這種新型感測器陣列方法可能優化感測器陣列在諸如機器人技術，航空，醫療保健和工業機械等領域的應用。

傳統的感測器陣列面臨佈線複雜凌亂、有限的可重構性以及連接網路缺乏對物理損傷的抵抗力等挑戰。為解決這些挑戰，香港科技大學機械及航空航天工程學系副教授楊徵保研究團隊，透過為每個感測單元分配唯一的正弦波頻率，並利用感測單元訊號調製正弦波幅度,這類似於人耳中的耳蝸毛細胞處理不同頻率的聲音。

將這些不同頻率的調幅訊號疊加到單一導體上，最後使用快速傅立葉變換演算法來解碼這個疊加的時域複合訊號，便可解析出整個感測器陣列的感知物理量。這種設計允許將傳統行列配置陣列中的大量輸出線減少到單根線，而不犧牲原有的功能。這種新穎的方法允許解碼系統並行處理所有感測單元的訊息，與現有的用於感測器陣列解碼的時分複用方案完全不同。

該研究的感測器連接網路採用冗餘設計，以確保即使陣列的連接網路部分受損，也能保持正常運作。這種設計特性受到內耳毛細胞和神經元之間多個突觸連接的啟發，如果一條路徑失效，將提供備份路徑。這種冗餘設計不僅增強了系統的抗損傷能力，而且使得更強大的可重構性成為可能，這是在諸如響應式機器人或自適應可穿戴設備等快速變化的應用中特別有用的特性。另外，感測器陣列的樂高式模組化設計也可能降低維護成本，因為相比傳統的多線感測器陣列提出的方案更易於修復。

研究者提出的感測器陣列技術提供了多種潛在的應用。其靈活性和穩健性使其非常適合整合到曲面和在惡劣的環境中工作。它可以適應不同表面的形狀和多模感知需求，同時提供即時數據。研究團隊已經在兩個主要應用中展示了此感測器陣列設計的優勢——一個是壓強感測器陣列，另一個是壓強-溫度多模感測器陣列。後者可用於監測義肢中關鍵的參數，從而提高患者的舒適性和安全性。團隊也介紹了該技術在監測飛機機翼應變分佈的應用潛力，這可能有助於開發更安全、更節能的飛機。

儘管這種感測器陣列設計有許多優點，但也存在一些限制。陣列中的感測單元數量受限於電路的工作頻寬，且每個感測單元所需的離散電子元件的大小限制了其進一步小型化的可能。在未來，團隊將進一步簡化所提出的感測器陣列的設計，並尋求商業合作夥伴，將這項技術推向市場。

該團隊的研究成果與香港城市大學合作完成，最近發表在《科學進展》雜誌上。文章題為「One-wire reconfigurable and damage-tolerant sensor matrix inspired by the auditory tonotopy」。龍之河博士和林偉康先生是這項研究的第一作者。