衍生感官让我们的生活多姿多彩

翻译自——EEtimes

电子设备的新发展正在不断改变我们的世界，但它们能改变我们的感知方式吗?复制人类感觉器官功能的设备和传感器领域的已研究了多年，努力使其功能与我们的眼睛、耳朵、鼻子、味蕾和皮肤与世界互动的方式一样。除了这五种感官之外，我们还在努力丰富与电子产品的交互方式，提供可穿戴式交互和手势控制的衍生感官。下面是模拟自然感官方面的一些最新进展，并展望未来我们如何不仅引导普通的感官，而且还可带来全新的体验。

视觉系统是传感器技术的第一个发展，今天已被广泛使用。虽然机器视觉使用数字输入和输出来操作机械部件，其功能与人类视觉截然不同，但它仍然可以机械地复制通常需要人类操作员完成的任务。正是这种视觉系统使一些现代汽车能够探测到周围的环境，甚至通过激活刹车来应对预期的碰撞。伴随着模式识别算法，这些视觉传感器在面部识别和其他检测和图像分析中发挥作用。

简单来说，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。 机器视觉系统主要由图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示三部分组成。主要用计算机软件来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理并最终用于实际检测、测量和控制。

机器视觉系统的组成

    1.图像处理单元——大脑

    图像处理单元由图像处理软件完成，图像处理软件包含大量图像处理算法。在取得图像后，用这些算法对数字图像进行处理，分析计算，并输出结果。机器视觉企业之间的竞争，说到底就是算法准确性的竞争，因此每个企业都会投入很多的资源对核心软件进行开发。只有优秀的机器视觉图像处理软件才能进行快速而又准确的检查，且减少对硬件系统的依赖性。软件是机器视觉的大脑，只有在软件将采集到的图像数据化以后，机器才能进行识别和检测等功能。

    2.光源

    光源是机器视觉系统中重要的组件之一，一个合适的光源是机器视觉系统正常运行的必备条件。使用光源的目的是将被测物体与背景尽量明显分别，获得高品质、高对比度的图像。

    3.镜头——视网膜

    镜头的作用是光学成像。尽管照相机、分析软件和照明对于机器视觉系统都是十分重要的，可最关键的元件还是工业相机镜头。系统若想完全发挥其功能，镜头必须要能够满足要求才行。决定镜头性能的参数主要有焦距，工作距离、视尝景深、分辨率等。景深，是指镜头能够获得最佳图像时，被摄物体离此最佳焦点前后的距范围。视场，表示摄像头所能观测到的最大范围，通常以角度表示，一般说来视场越大，观测范围越大。工作距离，是指镜头到被摄物体的距离，工作距离越长，成本越高。

    4.相机——眼球

    机器视觉相机(“眼球”)的目的是将通过镜头投影到传感器的图像传送到能够储存、分析和（或者）显示的机器设备上。按照芯片类型可以分为CCD相机、CMOS相机。CCD和CMOS是现在普遍采用的两种图像工艺技术，它们之间的主要差异在于传送方式的不同。

    5.图像采集单元——视觉神经

    图像采集单元中最重要的元件是图像采集卡，它是图像采集部分和图像处理部分的接口。一般具有以下的功能模块：图像信号的接收与A／D转换模块，负责图像信号的放大与数字化。有用于彩色或黑白图像的采集卡。彩色输入信号可分为复合信号或RGB分量信号。摄像机控制输入输出接口，主要负责协调摄像机进行同步或实现异步重臵拍照、定时拍照等。总线接口，负责通过PC机内部总线高速输出数字数据，一般是PCI接口，传输率可高达130Mbps，完全能胜任高精度图像的实时传输。且占用较少的CPU时间。

    5.输出单元

    输入输出单元,在完成图像采集和处理工作之后，需要将图像处理的结果输出，并作出与结果匹配的动作，如剔废、报警灯，并通过人机界面显示生产信息。

案例欣赏

在东京开发的电子皮肤可以用作可穿戴医疗监视器。

自然感官的复制在改善我们周围的生活和提高工业效率方面有许多应用。电子皮肤是一种超薄、灵活、可穿戴的设备，它结合了微电子技术和传感器，甚至可以通过探测光的压力并将其传递给佩戴者，来模拟假肢的触觉。科技的发展也为可穿戴设备打开了大门，这些设备可以增强与电脑的交互，可能会产生触觉刺激来提供方向或通知。虽然这些可穿戴传感器受到对轻薄柔性材料需求的限制，但人工触觉传感器也可以用于机器人甚至智能手机。这些传感器越来越接近于模仿人类的触觉，甚至开始感知表面纹理等元素。与大多数这些技术一样，目前有相当多的用例，但未来开发的可能性更大。

电子鼻和电子舌早在十年前就开始在工业上应用;食品、饮料、制药、塑料、包装和环保行业都使用了人类感官的电子版本。传感器可以检测食物的味道或气味是否消失，提供质量控制，并检测污染物，从而取代那些可能令人不愉快甚至是危险的任务。电子鼻上的气体传感器阵列和电子舌上的液体传感器，以及模式识别工具，可能能够检测到人类调色板无法识别的细微差别。

数字鼻子E -NOSE

E -NOSE的功能是利用模式识别在传感器阵列上检测化合物的痕迹或“指纹”。科学家们还测试了它们检测疾病的能力——可能是通过呼吸中的化合物检测血糖水平，甚至是癌症。2018年，布朗大学(Brown University)的研究人员开发了一种能够探测更多上下文信息的小型传感器。他们的TruffleBot能够测量微小的压力和温度变化的物理特性，它可以用来识别气味。该设备通过包括化学和机械传感器来完成这些额外的事情，在本例中，是一个数字气压计。最重要的是，他们的设备甚至可以嗅出气味，吸进空气进行分析，并起到真正的嗅探器的作用。

电子舌

电子舌装置的工作原理类似:一系列液体传感器用来收集信息，然后通过计算机算法进行分析。同样像e-nose一样，虽然阵列中每个传感器单元的特异性较低，但多个单元和特异性类别的结合会带来较大的信息潜力。经过多年在工业环境中的使用，电子语言得到了一些改进。大多数模型是基于使用电化学的测量技术，如电位测定法或伏安法。首次制造于1997年，伏安法电舌可以小型化，或生产自抛光性能，以保护电极表面不受污染。像许多这样的感官复制品一样，舌头有一个完善的方法，但也有相当大的发展可能性，如微生物活动或水质的测量系统，微电极的使用等。

数字棒棒糖

在味觉技术的另一面，有一些设备可以欺骗我们，让我们以为我们品尝的东西不是我们所想的。味觉模拟是电子设备和食物的另一个令人着迷的融合。该领域的世界顶尖研究人员尼Nimesha Ranasinghe已经发明了多种控制味觉的方法。Ranasinghe的内置电极的筷子可以模拟咸味，平底玻璃杯可以模拟柠檬水的酸味，棒棒糖的味道也会根据人体的生化构成而变化。这只是将人类感官带入虚拟现实空间的又一步，当我们自己的感官与餐具接触时，在餐具表面使用电极来创造一种感觉。

在没有或作为人类感官延伸的情况下，通过潜移默化的方式传递信息，带来了许多可能性:向视力受损的人传递视觉信息，增强味觉和触觉，甚至在虚拟环境中再现这些感觉。甚至有可能在人类身上创造出我们从未体验过的感觉。在对鸟类和蝙蝠的导航能力进行研究之后，德国的一组研究人员发明了一种他们称之为“感觉空间导航带”的东西。这款可穿戴设备将磁电流转化为振动，使人们能够感知方向，并通过触觉刺激来定位自己。

如果我们能通过我们的感官感受自然界的其他感官，我们还能学会感受什么，我们能创造什么感觉?在奠定了所有六种感觉的基础之后，扩展可能性就取决于我们了。