摘要：人工智能与机器人技术的融合,使智能机器人的应用范围从工业制造领域扩展到日常生活和医疗健康等领域.目前,智能机器人除了视觉、听觉和嗅觉等感知外,还需具备触觉反馈的感知能力才能在复杂的环境中帮助人类完成更精细的任务.本文基于触觉感知阵列模块、多通道数据采集和信息处理芯片以及闭环反馈控制模块,构建了集成智能触觉系统(IITS),实现了机器人手或假肢手对轻柔物体灵活可控抓握.通过设定适当的压力阈值,机器人手在抓取物体的过程中,一旦触觉感知阵列上的抓握值达到设定阈值,则会停止抓握,进而实现一个闭环反馈的可控抓指令.实验证明,集成有IITS的机器人可以灵活抓取气球、纸杯、软饼、活蚕等各种物体,该智能系统在假肢、服务型机器人和深海探索机器人的设计方面具有重要的潜在应用价值.

摘要：模拟人体触觉神经系统对于人工智能的发展至关重要.目前,实现低功耗、高效率且可以主动式驱动的人工突触仍然面临着挑战.本文提出了一种摩擦电势调控下可重构的p-n结以实现低功耗、自驱动的触觉传感系统.该器件集成了摩擦纳米发电机和基于石墨烯/氮化硼/二硒化钨的半浮栅晶体管,通过施加机械位移脉冲使晶体管在p-n结和n;-n结两个工作态之间切换并表现出相应的整流行为,据此提出了一种简单且不引入杂质的制备同质p-n结的方法.本文利用机械脉冲作为突触前电压尖峰,实现了人工突触权重的大范围调节,并成功实现了各种突触行为,例如短时/长时记忆、双脉冲抑制/易化以及学习经验行为.同时,这种设计还可以大幅度地降低能耗至与生物可比拟的fJ水平.这种可重构性和机械塑性的特征有望为未来低功耗、实时交互的人工智能系统提供新的策略.

摘要：房颤是人类健康的“隐形杀手”,常诱发心肌梗塞、中风、心力衰竭等高危疾病.幸运的是,房颤可以早期诊断和治疗.低水平迷走神经刺激(LL-VNS)是一种很有前途的房颤治疗方法.然而,其在生物电刺激装置的灵活性、小型化和长期服务方面仍需要克服很多问题.为此,本文设计了一个闭环自供电LL-VNS系统,可以实时监测患者的脉搏波,并在房颤发生时自动传输刺激的脉冲.该植入物是一种复合式纳米发电机(H-NG),其特点是柔性、便携且不需要电路元件和电池.H-NG的最大输出为14.8 V和17.8μA(峰-峰值).体内的效果验证结果表明,LL-VNS治疗后房颤持续时间显著降低90%,而且心肌纤维化和心房连接蛋白水平得到有效改善.值得注意的是,在该治疗系统中观察到通过介导NF-κB和AP-1途径而触发的抗炎作用.总体而言,这种植入式生物电子设备有望用于慢性病的自供电、智能化、便携式的管理和治疗.

摘要：压电半导体具有压电效应和半导体电学特性,可以用于压电电子学器件和压电光电子学器件.压电电子学器件和压电光电子学器件利用外加应变产生的压电电荷调控压电电子学pn结、金属半导体(M-S)接触的载流子传输、分离、复合等过程.压电电子学器件具有灵敏度高、响应速度快和功耗超低的优点,非常适合在自驱动系统中应用,因此在物联网、可穿戴系统、植入式传感系统具有巨大的应用价值.压电电荷的分布宽度能够显著影响压电电子学器件的传感性能,是压电电子学器件重要参数之一.压电电荷的分布宽度则可以通过压电电子学器件的电容电压(C-V)特性获得.本文以压电电子学金属-绝缘体-半导体(MIS)晶体管为例,提出对压电电荷分布影响进行测量和计算的理论模型,并进行了数值模拟,为以C-V测量为基础的结区压电电荷分布宽度实验设计给出了可行的理论方案.

摘要：介电弹性体材料是指在电场下可以发生形变的弹性体材料,通常认为,介电弹性体在电场下的电致形变是由麦克斯韦应力挤压造成的,是力引发的应变.然而按照这一理论,不同介电弹性材料的理论形变和实际形变差别很大,毫无相关性.本文提出了一个用于解释其电致形变的新模型.该模型认为介电弹性体的电致形变是电场直接引发的:首先高分子链上的偶极在电场下被取向,而后拖拽高分子主链运动,造成构像的变化,最终产生电致形变.依据这一模型,可以很好地解释以往理论无法解释的问题.而后基于这一模型,设计合成了一种聚膦腈介电弹性体材料.该材料在不做预拉伸的情况下,可以达到80%的电致形变,具有目前最好的综合性能.最后基于该聚膦腈材料,设计制备了一种新型的全柔性人工心脏模型,其具有和人体心脏完全相同的工作特性,有望用于制备全柔性人工心脏.

摘要：有机-无机杂化钙钛矿具有优异的光电性能,如大的光吸收系数、高载流子迁移率等,是理想的光电器件用光吸收材料.然而,杂化钙钛矿薄膜光电器件的性能受多方面因素的影响,例如致密程度、晶界等,同时其内部光激发电子-空穴对的复合也会降低器件的光电流和光响应度.本文以化学气相沉积法生长的高质量石墨烯薄膜为模板,通过两步化学气相沉积制备了甲胺铅碘/石墨烯异质结,并以此制备了柔性光探测器.首先,在生长体系中引入碘化铅,在石墨烯表面外延生长得到高质量的碘化铅;之后,引入甲基碘化铵,得到了具有大晶粒尺寸、致密的甲胺铅碘薄膜.进一步,以此复合薄膜为光吸收层,制备了柔性光探测器,其光响应度达到107 A/W.石墨烯的存在会抑制其中电子-空穴对的复合,从而提高器件的光电流.最后,在人类视觉系统的启发下,设计了柔性光电探测器阵列(24×24)图像传感器;其中,复合薄膜充当了视网膜中的视锥细胞.此图像传感器具有形状识别和颜色辨别的能力,在人造视网膜、生物医学成像、遥感和光通信高性能光电器件的构建方面具有应用潜力.