■本报记者 张双虎
在1米见方的“纸箱迷宫”中，一辆“寻址车”——在特殊环境中能自动规划路线的设备，像蚂蚁一样左试右探，寻找出口。
这是一辆特殊的寻址车——无人指挥、没有遥控，整个寻址过程甚至没有电池或其他外供能源驱动。
“它顺利出来了，只用了约30秒。”中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士生熊瑶告诉《中国科学报》，尽管小车找到出口的时间长短并非实验指标，但小车出来得太快了，这让她下意识看了一下时间。
“这里展示了第一个赋能摩擦纳米发电机时序逻辑处理功能的原型机。”中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员孙其君说，“该原型机拓展了与电子逻辑兼容的动态机械逻辑，结合对环境响应的能量源，它可以实现自主感知，在没有任何外部电源的情况下，写入、擦除和执行机械逻辑运算。赋能摩擦纳米发电机时序逻辑的原型机为进一步开发自驱动分布式逻辑和自适应智能感知提供了一个平台。”
近日，相关研究成果在《细胞》姊妹刊Device发表。
材料特性触发灵感
“这项成果源于我们对摩擦纳米发电材料特性的研究。”论文共同第一作者熊瑶说。
熊瑶一直在中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和孙其君指导下进行摩擦纳米发电材料研究。2021年初，她看到一种寻址车在进行功能演示，忽然产生了“寻址车工作原理和摩擦纳米发电材料特性相似”的想法。
“很多寻址车在陌生环境中通过‘碰撞’方式探测路线，像蜗牛依靠触角探路一样确定行进路线。”熊瑶举例说，“比如扫地机器人工作时，会通过碰触沙发、桌、椅等家具的方式熟悉室内环境，规划工作路线。而摩擦纳米发电机的本质是两种不同材料的接触、分离并产生电信号，这和寻址车的工作原理相似。”
从理论上说，将摩擦纳米发电机安装在寻址车前端，能实现对陌生环境的感知。因此，研究团队最初的想法是利用摩擦纳米材料做出一款寻址车，用摩擦纳米发电机实现感知功能。
交叉点即突破点
最初，研究团队将摩擦纳米发电机安装在寻址车前端，但很快发现寻址车“碰壁”后似乎“茫然无措”，于是产生了赋予寻址车“决策能力”的想法。
“就是除了传感功能外，赋予寻址车类似大脑的功能，让它根据检测到的信号，进行自主决策。”论文共同第一作者、团队成员张锦涛说，“这样寻址车在未知环境中就能自主地和环境交互，即使面临复杂环境，在无人监督的情况下也能找到出路，这将带来实际的应用价值。”
给寻址车安装“大脑”的想法很简单，但实现起来并非易事。
通过在智能系统结构框架中局部嵌入自驱动模块的“感知—决定—响应”回路，研究人员使寻址车具备了自主决策能力，但在实际检验中，它却屡屡“碰壁”。在时序输入间隔过短或较短时间内依次检测到两个空间“碰触”时，时序逻辑决策便会失效。
比如，当处于狭窄空间时，寻址车左边先碰撞一次，原型机立即进行决策并发出右转指令，但小车刚开始执行动作就碰到了右边，原型机又发出左转指令。忽左忽右的指令让寻址车很快陷入“逻辑循环”，无法执行指令。
“逻辑循环”不但让寻址车“无所适从”，也令研究团队一时找不到出路。
“在思路受限、不知道怎么办的时候，孙老师鼓励我们从数字电子技术文献和书籍中寻找解决办法。”熊瑶说。
虽然本科时选修过数字电路课程，熊瑶还是把《数字电子技术基础》找出来重新学习。她花了两个多月时间研究数字电子技术，并在数字电路中找到了同样的逻辑失效现象——竞争与赛跑现象。
“受《数字电子技术基础》启发，并经过反复讨论、测试，我们最终通过引入第三个动作——后退，解决了死循环问题。”熊瑶说，“如果仅限于纳米材料领域，很难想到解决方案，这反映出学科交叉的重要性。”
走出迷宫，前景广阔
团队设计了一个复杂迷宫，用于检验自供电组合和时序机械驱动逻辑原型机。
实验中，团队不断优化逻辑电路，并通过在寻址车前端、左前端和右前端添加多个原型机的方式，让小车有时空感知能力和逻辑分析决策能力。在此过程中，他们通过传感器芯片、电池等位置安放，调整寻址车配重，避免小车自身不稳带来的转向不精准问题。在反复调试中，他们采用麦克纳姆轮实现了360度顺畅转向，并最终实现了寻址车在无监督环境中，以低功耗方式与外部环境成功交互。
“这种原型机是自供电、低功耗的传感器。”孙其君说，“目前市场上的传感器都需要连接电源。这种无源传感器在野外探险、救援等特殊场景中优势突出。”
据研究人员介绍，特殊应用场景通常空间狭窄，要求探测设备个头儿很小，因此外接电源不能设计过大，导致探测设备难以持久工作。而这种原型机在探测的碰撞过程中，既能发电，又能起到感知作用，因此完美解决了自身供电问题。
“专业的说法叫‘事件驱动型’。”论文共同第一作者、团队成员王逸飞解释说，“简单说，就是有触发事件它才工作，才有反馈。如果没有事情发生，它就不工作、不耗电，能够‘超长待机’。”
该原型机是片状结构。和传统的激光雷达传感器、带摄像头的视觉传感器相比，它体积更小，可以方便地安装在寻址车前端，未来也可以装备到机器人上，让执行特殊任务的机器人更“聪明”。
此外，该原型机的时序逻辑系统还支持多种类型的传感设备，为补偿传感信号提供了多样选择，并能获取更丰富的外部环境信息。多模态融合对于协同自供电原型机实现更智能的感知、寻址非常有吸引力，可通过将机械或触觉传感信息与从集成光电探测器、摄像头/扫描仪、全球定位系统、惯性传感器等获得的附加传感数据结合来实现。
“这种具有时序逻辑的自供电原型机还可以通过人机交互终端或脑电波识别模式进行调整，实现更复杂的手势或脑电波控制，从而推动数字孪生和交互式神经形态计算的发展。”孙其君说，“未来，摩擦纳米发电机时序逻辑还可以与机器学习算法集成，实现高效的信号处理和数据转换、信息处理和决策，进一步促进该技术在智能传感、自主决策和人机交互等领域的应用。”
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100472