Science Bulletin | 推进远程感知：从传统非接触感知到自适应具身智能系统的范式转变

随着人工智能和智能传感技术的不断发展，感知系统在多个应用场景中的作用日益突出，尤其是在智能家居、医疗健康、以及工业自动化等领域。传统的非接触感知技术通常依赖于光学、超声波等方法，存在着感知距离短、受环境影响大以及灵敏度不足等局限性，因此难以适应复杂和动态的使用环境。而远程感知技术，通过电场变化感知和电荷捕获机制规避物理接触干扰，突破了这些限制，具备感知范围广、灵敏度高等优势，成为一种引领未来智能感知技术发展的核心方案（图1）。远程感知技术的应用前景广阔。不同于传统的接触式传感器，远程感知系统能够在没有任何物理接触的情况下，实时监测周围环境或物体的状态。这一特性使得该技术在多个高需求领域具有重要意义，特别是在智能穿戴、医疗监测、机器人感知、以及人机交互等应用中，能够提供更为精准和灵活的感知解决方案。

图1. 各种类型的非接触式传感器 (电容式传感器；红外传感器；超声波传感器；激光传感器；磁传感器；光学传感器；摩擦纳米发电机传感器)及其特性比较 (传感距离、分辨率、适应性、功率效率、精度、灵敏度、紧凑性、可集成性和成本效益)。

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的魏迪研究员在Science Bulletin上发表了题为”Advancing tele-perception: a paradigm shift from traditional non-contact sensing to adaptive embodied artificial intelligence systems”的展望文章。

该文系统地介绍了远程感知技术的工作原理、优势、挑战及应用场景，并结合当前机器学习算法的进展，探讨了如何进一步提升远程感知系统的性能。魏迪研究员提出，远程感知技术不仅能够突破传统感知方式的局限，还可以通过与深度学习算法的结合，赋予感知系统更强的自适应能力和数据处理能力，从而推动具身人工智能系统的快速发展。

远程感知技术的优势包括：

1. 无接触感知：远程感知系统能够在无需与目标物体接触的情况下进行感知，大幅降低了传统传感器在高磨损环境中的局限性，具有更高的可靠性与耐用性。

2. 高灵敏度与适应性：该技术能够在复杂的环境条件下稳定工作，如高湿度、低温以及电磁干扰等，展示了出色的环境适应能力。

3. 智能化优化：通过与机器学习算法的结合，远程感知系统能够实时优化信号处理与数据融合，提升感知精度和响应速度，使得系统在动态环境中的表现更加出色。

实现远程感知的全部潜力需要从传统的非接触传感到自适应嵌入式智能系统的范式转变。这种转变不仅需要优化电荷捕获及驻极机制以增强传感器在复杂环境条件下的稳定性，还需要在软件层面集成人工智能和机器学习算法（图2）。

1. 电荷驻极策略：通过优化材料表面结构和增强离子化效应，电荷驻极化策略提高了传感器在复杂环境下的电荷保持能力，延长了其稳定性和响应时间，特别是在动态温湿度条件下。

2. 机器学习增强远程感知体感：利用深度学习算法，远程感知系统能够通过数据融合和动态调整，提升感知精度和响应速度，增强系统对环境变化的自适应能力，推动智能化处理的实现。

图2. 未来远程感知的发展将来自硬件和软件的集成，提高系统在复杂环境中的准确性、适应性和效率，从而推动智能传感技术的发展。(a)电荷驻极策略用于捕获电荷。(b)机器学习增强的远程感知体感。(c)远程感知技术的未来应用可能扩展到更复杂的场景。

在文章的最后，魏迪研究员展望了远程感知技术未来的发展方向：

1. 环境适应性与稳定性：远程感知系统在多变且极端的环境条件下（如高温、低温、湿度波动等）可能面临性能衰减，因此，亟需开发具备高环境适应性的材料和架构，以保证系统在复杂环境中长期稳定运行。

2. 传感距离与精度的平衡：随着感知距离的延伸，信号衰减和测量精度的降低成为不可避免的问题，因此，如何在增加感知范围的同时，优化传感材料、结构设计与信号处理算法，以实现高精度低误差的远程检测，是当前的技术瓶颈。

3. 能源效率与电源管理：远程感知系统对能源的持续需求提出了严苛要求，尤其在长时间、多源数据监测的场景下，功耗显著增加。未来的研究需聚焦于开发低功耗、高效率的传感器及智能电源管理技术，以确保长时间稳定运行并优化能效。

4. 多源传感信息融合与处理：在复杂的感知环境中，需综合多类传感器数据进行实时处理与融合，准确去噪和误差最小化。高效的数据处理架构不仅决定了系统的响应速度，也直接影响了多模态融合感知技术的可靠性和其在关键领域（如自动驾驶、智能医疗）的安全性。

5. 传感器集成化与小型化：为满足多样化应用需求，远程感知系统需实现高性能传感器的小型化、集成化与便携性。这要求在保持传感精度的同时，攻克紧凑型传感器设计中的工艺与材料挑战，确保设备在体积、重量和功能上的优越平衡。