超越人类的五种感官，实现难以察觉的感知，南洋理工陈晓东&天大胡文平Sci. Adv.

通过模仿人类的视觉和触觉，人工智能感知技术正在取得令人瞩目的进步，增强了我们与人形机器人、假肢和虚拟/增强现实体验的互动。然而，它们只能在控制良好的光照或可触摸的条件下工作。对于隐藏物体或不稳定的环境光，隐形感知技术有望填补这一空白。红外线或超声波隐形检测依赖于反射光子或声学信号，将检测限制在特定方向内的物体。磁力或湿度也被应用于非接触式检测，但它们的感知范围限制在1厘米内。一些动物，如板鳃类鱼和单孔目动物，有“第六感”。它们利用电感受细胞探测周围的电场，从而能够在黑暗的海洋或泥泞的河床等低能见度条件下导航和捕猎。这为开发电感应设备提供了一种鼓舞人心的方法，即使在无法进行视觉和触觉感知的情况下，也能维持感知。

虽然已经开发出基于导体和半导体的电传感装置来检测带电物体，但它们并不像生物同类那样精妙，特别是在灵敏度、极性区分和按需输出方面。理论上，基于半导体的场效应晶体管是有前途的空间电场人工受体，因为通道的电阻可以调节几个数量级。然而，由于对电荷动力学（涉及电荷感应和电荷传输）的理解不足以及缺乏指导设备设计的定量模型，实现高灵敏度和稳定性仍然是一个关键挑战。此外，目前的电传感装置对电场强度没有表现出敏感性。解决这些挑战对于按需设计电感应设备和推动无形感应技术的发展至关重要。

受生物启发的创新设计 ：该EST模仿电鳗等生物的电感受细胞，其有机半导体晶体薄膜作为空间电场门控载流子通道，导电电荷泵浦层通过介质与之隔离，这种结构设计模仿了电感受细胞中电压门控离子通道调节跨膜电导的机制，从而实现对电场的感知。通过在EST中引入导电的CPL，利用电荷泵浦效应显著增强了通道中的电荷感应。CPL作为电荷库，能够在外电场作用下提供大量电荷，使通道中感应电荷数量大幅增加，从而提高了EST的信噪比，使其能够更灵敏地检测电场。

时间依赖响应的可编程性 ：研究发现，通过调整半导体通道的结晶性，可以编程EST的时间依赖响应。高结晶性的半导体薄膜能够减少载流子的陷阱态，使EST从瞬态响应转变为稳态响应，从而提高了电场检测的稳定性和可靠性。利用TCAD模拟结合实验验证，揭示了载流子陷阱态分布对EST时间依赖响应的影响。通过改变陷阱态的特征宽度和密度，可以预测和调控EST的响应行为，为优化EST性能提供了理论指导。

高灵敏度与高精度的电场检测 ：EST能够检测正负电场，对负电场的检测下限为-0.12 kV m ^-1 ，对正电场的检测下限为0.61 kV m ^-1 ，远低于传统传感器，可检测到更微弱的电场变化。EST的响应电流与电场强度呈正相关，且对不同极性的电场刺激能做出明显区分，可识别带电物体的接近和远离，为实现无接触感知提供了有力支持。

无接触感知的实际应用拓展 ：将EST集成到爬行机器人头部，使其具备无接触感知能力。机器人能够根据EST检测到的电场信号，实现对隐藏物体的探测和自主导航，如同电鳗在低能见度环境中利用电场导航和捕猎一样。EST具有良好的电磁干扰抵抗力和能效表现，适合在复杂、恶劣或危险环境中应用，如监控、搜索救援等场景，为扩展人工系统的感知能力提供了新途径。

图1.受电感受细胞启发的EST概念设计

图2.电荷泵效应增强了EST中的电荷感应

图3.EST中结晶度程序的时间相关响应

图4.EST的不可触及的电感应能力

这项研究报道了一种可以模拟电感受细胞感知具有极性差异的弱空间电场的EST，并建立了一个紧凑模型来揭示器件的电荷动态。与传统晶体管不同，该EST消除了偏置控制并结合了空间电场感应功能。浮动CPL的电荷泵效应显著提高了器件的信噪比，而晶体性则编程了时间依赖性响应。在上述理解的指导下，基于有机半导体晶体构建了高灵敏度的EST器件，其检测限在负刺激下低至−0.12 kV m ⁻¹ ，在正电场下低至0.61 kV m ⁻¹ 。当在爬行机器人上实施时， EST使机器人能够导航和检测隐藏物体。这项研究的结果有望推动用于不可触及感知的电感应设备的设计和开发，这些设备可用于巡逻危险环境、执行搜救任务以及扩展人工系统的感知能力。