自驱动人工触须系统实现风向趋避行为：基于碳黑传感器与HfO2 忆阻器的神经形态感知突破

为解决传统传感系统高能耗、低计算效率的瓶颈，研究人员开发了一种基于碳黑（CB）传感器与阈值开关（TS）HfO2 忆阻器的人工触须系统。该系统通过蒸发诱导电势原理实现自驱动，可同步感知风速、湿度及温度信号，并将其编码为不同频率的脉冲。研究进一步验证了搭载该系统的机器人小车能精准追踪风源轨迹，为神经形态感知系统（neuromorphic perception）在神经机器人（neurorobotics）中的应用提供了硬件基础。

　　

在危险环境下的搜救任务中，如何让机器人像生物一样高效感知环境信号一直是科研难点。传统传感器依赖模数转换（ADC）和外部处理器，存在数据延迟、高能耗等问题。相比之下，大鼠的触须系统通过机械受体将气流信号直接转化为电脉冲，展现了卓越的感知效率。受此启发，国内某研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表论文，提出了一种自驱动人工触须系统，结合碳黑（CB）传感器与HfO₂
忆阻器，实现了多模态信号编码与风向追踪功能。

关键技术包括：1）通过乙醇火焰合成和等离子处理制备亲水性CB传感器；2）原子层沉积（ALD）技术制造Ag/HfO_x
/Pt忆阻器；3）密度泛函理论（DFT）模拟水分子与功能化石墨烯的电荷转移机制；4）搭建脉冲神经网络（SNN）控制机器人小车实现风向趋避。

人工触须系统与自然行为的对比
通过模拟大鼠触须在气流中的弯曲轨迹，研究团队设计了一种基于刚性石英基板的CB传感器，其通过角度检测的水伏效应（hydro-voltaic）感知风速，无需物理形变。结合忆阻器RC电路，系统将环境信号编码为脉冲频率，类似生物神经元的动作电位。

自驱动碳黑传感器
CB传感器经氧化处理后亲水性显著提升（接触角从162.82°降至21.29°），其蒸发诱导电势随湿度、温度和风速（FV）变化。DFT计算证实，功能化石墨烯表面的C–O–C基团与水分子形成电荷双电层，导致电子转移（0.209 e），而原始石墨烯仅转移0.044 e。实验显示，传感器在1.5 m/s风速下输出电压达2.3 V，且响应时间与风速呈正相关。

基于HfO_x
忆阻器的人工神经元
Ag/HfO_x
/Pt忆阻器表现出稳定的阈值开关特性（V_th
≈±0.48 V，V_hold
≈±0.2 V），器件间参数变异低于22.9%。与CB传感器串联后，系统可将风速（1.2–2.3 m/s）和角度（0°–90°）线性编码为脉冲频率（2–12 Hz），模拟大鼠三叉神经节（NV）的编码机制。

机器人小车的风向趋避行为
搭载双CB传感器的机器人通过SNN解析脉冲频率，实时调整行进方向。在2 m×2 m区域内，小车能从随机初始状态以10 cm步长精准定位风源（误差<10°）。硬件电路集成STM32微控制器（MCU），实现了闭环控制（图5H）。

该研究首次将自驱动传感与忆阻器脉冲编码结合，解决了传统系统的能效瓶颈，为神经形态感知硬件提供了新范式。未来可扩展至气味源定位或多机器人协同任务，推动神经机器人技术在灾害救援等领域的应用。