$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
تم دراسة الاستشعار اللمسي بشكل مكثف للإدراك الآلي 1,2، ومع ذلك، لا تزال معظم أنظمة الجلد الإلكتروني (e-skin) تعتمد على تكوينات ذات نمط واحد ومنخفضة الكثافة يمكن أن تحد من تفسير اللمس البشري المعقد. على الرغم من التقدم الكبير في المواد اللمسية المرنة وبنى الأجهزة3، فإن التكامل على مستوى النظام بين الاستشعار اللمسي متعدد الوسائط والقنوات مع دقة عالية في الوقت الحقيقي يواجه تحديات تقنية مستمرة4. وبالتالي، تتطلب قضايا رئيسية مثل مزامنة الإشارات، تنسيق التوقيت، وتحسين معدل نقل البيانات معالجة منهجية في أنظمة لمسية واسعة النطاق أو ذات عدد قنوات عالية5. لتلبية هذه المتطلبات، هناك حاجة إلى بنية واجهة أمامية عالية النطاق الترددي قادرة على إدارة تدفقات البيانات المتزامنة متعددة القنوات، والحفاظ على سلامة الإشارة، ودعم التوصيف الكمي للإيماءات والقوة.
برزت أنظمة الجلد الإلكتروني متعددة الوسائط كتطوير مهم لتمكين المنصات الروبوتية من محاكاة قدرات الاستشعار اللمسي المعقدة لجلد الإنسان. قد لا تلتقط حساسات النمط الواحد التقليدية، التي تكتشف فقط الضغط أو درجة الحرارة العادية، الطبيعة المعقدة والديناميكية للتفاعلات اللمسية في العالم الحقيقي. على النقيض من ذلك، تم تصميم الأنظمة متعددة الوسائط المستوحاة من الإنسان لاكتشاف أنواع متعددة من المحفزات اللمسية في الوقت الحقيقي، بما في ذلك قوة القص، والاهتزاز، والإشارات الحرارية. على سبيل المثال، طور لي وآخرون نظام إدراك لمسي مستوحى حيويا قادرا على الكشف في الوقت الحقيقي عبر أربع قنوات حسية مميزة، مما حسن التعرف على الملمس ووضع التلامس وحالات تفاعل الأجسام9.
وقد وسعت التطورات الحديثة في الإلكترونيات المرنة آفاق هذه الأنظمة متعددة الوسائط، خاصة من خلال تطوير الجلد الإلكتروني المتطور (e-skin) الذي يحاكي الامتثال الميكانيكي والحساسية العالية للأنسجة البيولوجية. على سبيل المثال، أدى استكشاف المواد النشطة الجديدة والتصاميم الهيكلية الهرمية إلى منصات الجلود الإلكترونية من الجيل القادم ذات حساسية لمسية غير مسبوقة ووظائف متعددة10. بعيدا عن الابتكار المادي، يتطلب الانتقال نحو التطبيق واسع النطاق تقنيات تصنيع قوية وقابلة للتوسع. برزت الإلكترونيات المطبوعة كحل محوري، حيث يمكن من دمج مصفوفات حساسات عالية الكثافة بدقة وفعالية من حيث التكلفة على ركائز مطاطية متنوعة مع الحفاظ على أداء الجهاز11.
لضمان موثوقية هذه الأنظمة في السيناريوهات العملية، يركز الباحثون بشكل متزايد على تحسين الخصائص الكهروميكانيكية وآليات الاستشعار للحساسات المرنة للتخفيف من تداخل الإشارات والتداخل البيئي12. في النهاية، يتحول النموذج الحالي في المجال من مكونات الاستشعار المعزولة إلى منصات متكاملة وذكية ومرنة تدمج المواد المتقدمة مع أطر معالجة الإشارات عالية الكفاءة.
ومع ذلك، فإن دمج عدة طرق استشعار في مصفوفة موحدة يشكل تحديات كبيرة في اقتران الإشارة، والمزامنة، وتفسير البيانات. أبرز كونغ وآخرون ضرورة وجود استراتيجيات قوية للتكامل والفصل في مصفوفات المستشعرات متعددة الوسائط عالية الكثافة لضمان عزل الإشارة بدقة وتقليل التداخل14. علاوة على ذلك، يؤثر السلوك الميكانيكي لركيزة الاستشعار اللينة بشكل كبير على دقة الإشارة. أظهر مو وآخرون أن الطبيعة المرنة لمركبات البوليمر الموصلة يمكن أن تحفز انجراف الإشارة والاستشعار، مع التأكيد على دور نمذجة المواد واستراتيجيات التعويض على مستوى النظام في منصات الاستشعار متعددة الوسائط 15. تشير هذه النتائج مجتمعة إلى أن تطوير أنظمة الجلد الإلكتروني متعددة الوسائط ذات عرض نطاق ترددي مرتفع، وواعية للزجة المرونة، ومنفصلة هو أمر ضروري لتعزيز الإدراك اللمسي الذكي في الروبوتات وواجهات الإنسان والآلة16 .
لضمان الاستحواذ في الوقت الحقيقي على الإشارات اللمسية متعددة القنوات مع زمن استجابة منخفض وسلامة إشارة عالية، تم اعتماد إطار عمل اكتساب معقد قائم على جهاز منطقي قابل للبرمجة (CPLD). أظهرت الدراسات السابقة أن CPLDs مناسبة لإدارة خطوط أنابيب البيانات عالية السرعة وتدفقات الإشارات الحرجة للتوقيت في أنظمة الاستشعار17,18.
مقارنة بمعماريات اكتساب البيانات التقليدية، يقدم هذا النهج المزامن المعتمد على CPLD في التردد الهجين عدة مزايا مميزة. بينما تعتمد أنظمة وحدات التحكم الدقيق (MCU) غالبا على التزامن على مستوى البرمجيات أو الاستطلاع التسلسلي، إلا أنها عرضة للتذبذب في التوقيت غير الحتمي وكمون المقاطعة، مما قد يؤثر على محاذاة طور الإشارة عبر عدد القنوات العالية19. على النقيض من ذلك، تضمن بنية CPLD المعتمدة على منطق الأجهزة التنفيذ المتوازي الصارم وتوقيت حتمي على مستوى النانوثانية لجميع القنوات ال36. علاوة على ذلك، بينما توفر مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة ميدانيا (FPGAs) قوة حسابية أعلى، تقدم مصفوفات البوابات ذات التكلفة والطاقة أكثر كفاءة في استهلاك التكلفة والطاقة لعمق المنطق المطلوب في أجهزة الحالة ذات التردد الهجين، مما يسهل الاستقرار طويل الأمد في تطبيقات الغلاف الإلكتروني القابلة للارتداء. بالإضافة إلى ذلك، وعلى عكس طرق التعدد المتعدد في القنوات المنخفضة التي تضحي بعرض النطاق الترددي الفعال للعينات لكل قناة، تحافظ البنية المتزامنة المقترحة على معدل ثابت يبلغ 2 كيلوهرتز للأنماط اللمسية، متغلبة على عنق الزجاجة الناتج عن دمج البيانات غير المتجانس التي تم تحديدها في الأدبيات الحديثة19.
تقدم هذه الدراسة بشرة إلكترونية متعددة الوسائط مرنة مدمجة مع نظام اكتساب قائم على CPLD. يدعم النظام 36 قناة من أخذ عينات التردد الهجين 14-بت، تعمل بسرعة 2 كيلوهرتز للقنوات اللمسية الديناميكية و100 هرتز للوسائل المساعدة، بما في ذلك التسارع، ودرجة الحرارة، والرطوبة، والإضاءة، ومستشعرات الصوت (الشكل 1). يدمج النظام هذه الحساسات غير المتجانسة على ركيزة دائرية مطبوعة مرنة (FPC)، مما يضمن كل من التكيف الميكانيكي والاستقرار الكهربائي. تم اعتماد طبقة تغليف لزجة مرنة15 متوافقة، مقسمة إلى وحدات مستطيلة صغيرة، لتحسين التكيف مع التشوه المحلي وثبات التلامس أثناء التفاعلات اللمسية.
فيما يتعلق بالملاءمة العملية، تم تحسين بنية أخذ العينات المتوازية عالية السرعة لالتقاط الأحداث اللمسية السريعة والاندفاعية مثل النقر أو انزلاق النسيج داخل بيئة مختبرية مضبوطة. ومع ذلك، تشمل قيود التشغيل احتمال تدهور دقة الإشارة بسبب الانجراف اللزج المرن والاستيريزيس للركيزة اللينة، مما يتطلب معايرة دورية أو تعويضا معتمدا على البرمجيات. علاوة على ذلك، بينما النظام قابل للتوسع ليصل إلى عدد قنوات أعلى، فإن التنفيذ الحالي محدود بعرض النطاق الترددي للإرسال اللاسلكي للتصوير في الوقت الحقيقي.
يدير CPLD الاستحواذ المتزامن متعدد القنوات ونقل البيانات اللاسلكية، مما يضمن أداء مستقرا في الوقت الحقيقي. يتيح هذا النهج جمع الإشارات متعددة الوسائط عالي الكثافة ويوفر أساسا جهازيا قابلا للتوسع للإدراك اللمسي الروبوتي. لتقييم التمييز اللمسي، تم تحليل أربع إيماءات تمثيلية: اللمسة اللطيفة، والنقرة، والقرص الخفيف، والقرص القوي، بشكل تجريبي.
يركز هذا العمل على إثبات جدوى وسلامة الإشارة لبنية الواجهة الإلكترونية متعددة الوسائط عالية النطاق الترددي. يتم تنفيذ استشعار الضغط باستخدام آلية بيزوريزيستيف تعتمد على مادة استشعار لزجة مرنة، وهي مركب بوليمري موصل يتميز بمقاومة حجم تبلغ <500 أوم سم. في هذا التكوين، يغير الضغط الميكانيكي مقاومة التلامس داخل المادة، والتي يتم التقاطها لاحقا بواسطة نظام الاستحواذ. تم اختيار قنوات الضغط كوسيلة تمثيلية للتحقق من صحة الاكتساب في الوقت الحقيقي وجودة البيانات. بينما يدعم النظام طرقا إضافية مثل التسارع ودرجة الحرارة، فإن تنفيذها وتحليلها محجوزان للدراسات المستقبلية الخاصة بالتطبيقات.
لمعالجة تحديات اكتساب البيانات اللمسية عالية الكثافة، يستخدم هذا العمل بنية أجهزة تعتمد على CPLD مدمجة مع وحدة Wi-Fi 6. كما هو موضح في الشكل 2، تم تصميم النظام لإدارة 36 قناة بدقة 14 بت وبمعدل أخذ عينات عالي السرعة يبلغ 2 كيلوهرتز، مما يولد معدل نقل بيانات خام يقارب 1.01 ميجابت في الثانية. من خلال الاستفادة من بروتوكول 802.11ax، تحقق المنصة معدل نقل مستقر وفعال يبلغ 1.5 ميجابت في الثانية، مع الحفاظ على معدل فقدان حزم أقل من 0.2٪ في البيئات المختبرية النموذجية. هذا النهج القائم على منطق الأجهزة يقضي على تذبذب التوقيت غير الحتمي وكمون الانقطاع الشائع في البنى التقليدية المبنية على وحدات MCU، مع تقديم بديل أكثر كفاءة في الطاقة وفعالية من حيث التكلفة مقارنة بالحلول المعتمدة على FPGA. يضمن خط البيانات القوي هذا المزامنة الدقيقة في الوقت الحقيقي وسلامة الإشارة اللازمة للتعرف على الإيماءات المعقد والاستشعار اللمسي متعدد الوسائط.
تم تعريف مؤشرات عديم الأبعاد: انحراف الموجة المكافئ (EWS) والحمل المكافئ (EL). يحدد EWS التفاوت الزمني لشكل موجة الاستجابة اللمسية، بينما يمثل EL شدة القوة الإجمالية المدمجة خلال مدة التلامس. كشف تحليل هذه المؤشرات عن توقيعات ميكانيكية مميزة لكل حركة، مع متوسط وقت تفريغ يبلغ 0.4 ثانية ± 0.2 ثانية، مما يشير إلى أن استجابة الركيزة اللزجة المرنة تساهم في الخصائص الزمنية التي يلتقطها النظام.
تظهر هذه النتائج جدوى الشدة اللمسية الدقيقة والتعرف على الإيماءات باستخدام اكتساب متزامن ومتعدد الوسائط. يوفر النظام المقترح بذلك منصة أمامية وظيفية للتحليل الكمي لللمس ويؤسس أساسا للتطورات المستقبلية في التفاعل العاطفي أو العاطفي بين الإنسان والروبوت.