触觉信息的实时传感和处理对于提高人工电子皮肤（e-skin）的能力至关重要，从而在触觉探索和物体操纵方面实现了前所未有的智能应用。然而，由于传感器和处理单元之间的物理分离，传统的触觉电子皮肤系统通常会执行冗余的数据传输和转换以进行决策，从而导致高传输延迟和功耗。在这里，我们报告了一种基于柔性电容式压力传感器阵列的传感器内触觉计算系统。该系统利用多个连接的传感器网络来执行现场模拟乘法和累加操作，实现触觉传感和计算功能。我们实验性地实现了用于低级触觉处理任务的传感器内触觉计算系统，包括降噪和边缘检测。单感测计算操作的功耗比传统混合电子系统低22倍以上。这些结果表明，我们的电容式传感器内计算系统为机器人和人机界面等功率受限的应用开辟了一条有前景的道路。

2025年7月1日，相关研究成果以“Capacitive in-sensor tactile computing”为题发表在国际顶级期刊Nature Communications上，复旦大学刘明院士、王明研究员为论文共同通讯作者。

触觉电子皮肤（e-skin）可以增强人类和机器人对周围环境的理解，从而在触觉探索和物体操纵方面实现前所未有的应用，如神经假肢、机器人和人机界面。这种探索和操纵通常依赖于在与目标对象交互期间快速检测和处理非结构化、冗余和模拟触觉信号，包括压力、应变和温度信息。然而，在传统的触觉电子皮肤系统中，触觉传感器捕获模拟触觉信号，通过模数转换电路将其转换为数字格式，随后传输到外部处理单元进行计算。传感器和处理单元之间的这种物理分离带来了大量的数据转换和传输，导致了高传输延迟和功耗。

近传感器和传感器计算范式的最新进展通过减少甚至消除传感器和处理单元之间的接口来提高传感和处理系统的处理效率。在近传感器计算范式中，数据计算在传感器旁边进行，这减少了冗余数据的传输，但仍然无法摆脱传感器和处理单元物理分离的困境。相比之下，传感器内计算范式利用单个自适应传感器27、多个连接的传感器或新型设备结构直接感测并同时处理感官信息，提供了一种更具吸引力的解决方案，相对完全消除了系统中的数据转换和传输。特别是，阵列级的传感器内计算可以实现模拟乘法和累加（MAC）运算，这是实现人工神经网络的先决条件。传感器内MAC计算范式已在用于视觉感官处理的光电设备和阵列中得到了很好的证明。然而，尚未报告触觉刺激的传感器内MAC计算的实现，主要是由于单个触觉传感器缺乏直接计算能力。在各种触觉传感技术中，电容式传感器具有灵敏度高、稳定性好、响应时间快、功耗低等优点。尽管互连的电容式传感器阵列显示出同时感测和处理触觉刺激的潜力，但实现触觉刺激的传感器内MAC操作仍然难以实现。

在这项工作中，我们报告了一种基于柔性电容式压力传感器阵列的传感器内触觉计算系统。该系统利用多个连接的电容式传感器网络，在电气开关的辅助下实现触觉MAC操作，实现触觉刺激的实时感知和同时计算。电容式传感器阵列由具有微结构聚乙烯醇/磷酸（PVA/H3PO4）传感层和可拉伸金（Au）电极的堆叠结构制成，具有0.36的高电容压力灵敏度 nF∙kPa⁻¹。我们通过实验说明了用于低级触觉处理任务的传感器内触觉计算系统，包括降噪和边缘检测。我们系统的最大功耗仅为493 µW和492 µW分别用于触觉降噪和边缘检测，比传统的混合电子系统低22倍以上。这些结果表明，我们的电容式传感器内计算系统在触觉探索和物体操纵的功率受限应用中很有前景，包括机器人和人机界面。