在自然界中，生物体为了生存，演化出了各式各样的感知能力。其中，非接触式感知——即无需直接触碰便能探测环境变化和潜在威胁的能力，在许多动物的生存策略中扮演着关键角色。

在众多非接触式感知方式中，人类最为依靠的视觉拥有最高的分辨率，却也伴随着最高的能耗，消耗了大脑超过40%的感知处理能量。与视觉系统相比，蜘蛛选择了一条不同的演化路径。它们的光感受器密度比哺乳动物低20倍，但全身却覆盖着极高密度的毛状感受器，每平方毫米可达400根。这些毛状感受器能够将外界非接触刺激（如猎物引起的气流）转换为神经脉冲序列，每次事件消耗的能量低于100pJ，能量密度比视觉系统低数百倍。这种策略实现了广域感官覆盖，同时将能耗降至最低，并克服了视觉感知的诸多限制。此类高效而节能的感知方式，正为现代机器人技术与人工智能感知系统带来深远启示。

近日，南京大学研究团队受此启发，提出了一种柔性脉冲毛发感受器（FISH），仿照蜘蛛毛感受器，能够将气流信号实时转化为电脉冲，从而实现非接触式感知。其功率密度低于100 nW/cm2，每个感知事件的能耗约为660 pJ，与蜘蛛毛感受器几乎相当，比传统非接触传感器的能耗低了两个数量级。

▍柔性脉冲毛发感受器（FISH）的结构特点

那么，这一超低功耗的传感器是如何实现的呢？研究团队的核心设计在于其独特的结构。这款名为柔性脉冲毛发感受器（FISH）”新型传感器，是由基于聚酰亚胺（PI）的毛发状传感器和基于Ag/PI/LIG/PI 的柔性 TS忆阻器组成，能够将气流信息转换为用于非接触感知的脉冲序列。 

毛发状传感器：仿生设计的精髓

FISH的毛发状传感器采用激光诱导石墨烯（LIG）技术，在聚酰亚胺基底上制作出宽度仅约25微米的传感元件。扫描电子显微镜显示，LIG呈现泡沫状多孔结构，这种结构不仅增强了传感器的响应灵敏度，还保证了良好的柔韧性。

该传感器能够检测低至0.4米/秒的气流速度，通过调整PI基底厚度，甚至可实现0.04米/秒的最低检测限。在7.0米/秒的气流速度下，传感器的响应和恢复时间分别仅为约40毫秒和26毫秒。经过4500次循环测试，传感器仍保持稳定性能，显示出优异的可靠性。

柔性TS忆阻器：脉冲编码的核心

柔性TS忆阻器是FISH实现脉冲编码的关键。它展现出典型的突触行为：当施加的电压超过阈值时，器件从高阻状态切换到低阻状态；当电压低于保持电压时，又自发返回高阻状态。这种特性使得忆阻器能够在电流偏置下产生自激振荡，输出频率可调的电压尖峰。

该忆阻器表现出卓越的稳定性：经过1000次重复循环，高阻态和低阻态的变异系数分别仅为7.71%和10.71%；在不同弯曲半径（3-20毫米）和温度条件（40-200°C）下均保持稳定工作。当输入电流从100皮安增加到200纳安时，尖峰频率可从155赫兹提升至2650赫兹。 

来源：传感器专家网