摘要：漫威动画里的超级英雄“蜘蛛侠”拥有多种超能力，其中最重要的莫过于被戏称为“彼得一激灵（Peter Tingle）”的蜘蛛感应（Spider Sense）。这种能力让“蜘蛛侠”能时刻感知到周遭的一切，从而在危险降临时能够迅速做出反应。

漫威动画里的超级英雄“蜘蛛侠”拥有多种超能力，其中最重要的莫过于被戏称为“彼得一激灵（Peter Tingle）”的蜘蛛感应（Spider Sense）。这种能力让“蜘蛛侠”能时刻感知到周遭的一切，从而在危险降临时能够迅速做出反应。

“蜘蛛侠”电影剧照。图片来源于网络

这种感应对于人类来说当然是超能力，但对于真正的蜘蛛来说却“稀松平常”，它们日常的捕猎、躲避天敌，都少不了这种环境感知能力。

众所周知，人类神经系统具有卓越的信息处理能力，科学家也正致力于构建类脑的神经形态人工感知系统。这种系统如同人体感官一般，能够将光、声、触觉、气味甚至味道等外界刺激，转化为电脉冲信号，并传送至“人工大脑”进行学习与决策。

生物启发传感与类脑处理系统。图片来源：Adv. Sci.[1]

在众多非接触式感知方式中，人类最为依靠的视觉拥有最高的分辨率，却也伴随着最高的能耗，消耗了大脑超过40%的感知处理能量。再说回到蜘蛛，它们则采用了另一种策略：它的毛感受器密度高达400个每平方毫米，能敏锐地捕捉空气中细微的扰动，比如猎物翅膀扇动所产生的气流。这些毛发会将空气扰动转化为电脉冲，每次仅消耗不到100皮焦（pJ）的能量，其单位能耗远低于视觉系统。这种感应机制不仅覆盖范围更广，还能在低光照甚至无光的环境下持续感知，完美弥补了视觉的“盲点”。

受生物毛发启发的仿生机械传感器。图片来源：Nat. Commun. [2]

近日，南京大学万昌锦教授、万青教授与施毅教授等研究者在Science Advances 杂志上发表论文，提出了一种柔性结构的“电子触须”脉冲传感器，仿照蜘蛛毛感受器，能够将气流信号实时转化为电脉冲，从而实现非接触式感知。这种名为FISH（flexible spiking hair sensillum）的仿生器件，其功率密度低于100 nW/cm2，每个感知事件的能耗约为660 pJ，与蜘蛛毛感受器几乎相当，比传统非接触传感器的能耗低了两个数量级。基于FISH器件阵列的脉冲神经网络（SNN）非接触触觉感知系统，能识别不同的气流类型、分辨气流方向，准确率超过 92%，为低功耗、环境适应性强的智能感知系统开辟了全新路径。他们还将FISH集成至仿生蜘蛛机器人中，使其可凭借气流感知作出攻击或逃逸等决策，展现出类似生物的环境适应能力。

集成FISH模块的仿生蜘蛛机器人。图片来源：Sci. Adv.

FISH的设计启发。图片来源：Sci. Adv.

每个FISH传感器由柔性毛发状电极与叠层结构的柔性忆阻器串联组成。前者采用激光诱导石墨烯和聚酰亚胺材料，当气流引起毛状结构弯曲时，柔性毛状电极被拉伸，电阻发生变化，进而调控忆阻器的自振荡频率，实现将气流强度转化为电脉冲列。柔性忆阻器则采用多孔泡沫状微观形貌，有利于增强灵敏度和响应速度。此外，器件阵列采用交叉叠层结构，兼具良好的柔性和可集成性。

FISH的光学图像与结构表征。图片来源：Sci. Adv.

柔性忆阻器展现出典型的突触行为，可在高阻态与低阻态之间切换，其导电机制基于Ag导电丝的形成与断裂。器件在连续1000次循环、不同弯曲半径及高温环境（最高达200 °C）下均保持出色的机械与热稳定性。此外，忆阻器可通过调节输入电流将脉冲频率从百赫兹扩展至千赫兹数量级，这得益于其寄生电容充放电引发的自振荡机制。该器件兼具低功耗、高稳定性、柔性及阵列集成兼容性，为神经形态系统提供了理想的硬件基础。

毛发状电极的电学特性。图片来源：Sci. Adv.

将柔性毛状电极与忆阻器串联连接，并在施加恒定偏压的情况下工作，若传感器的电阻降至约1250 MΩ以下，即可触发忆阻器自振荡产生电脉冲。实验证明，无论是接触距离变化还是不同气流速度，都能调节脉冲频率：接触距离从0增加到2.1 mm时，脉冲频率从1390 Hz降低至550 Hz；气流速度从1.0提升至9.0 m/s时，脉冲频率从1368 Hz降至590 Hz。这种频率调控特性使FISH传感器能有效将外界物理信号编码为可处理的脉冲信号，并展现出良好的响应稳定性与器件一致性。

FISH传感器的脉冲信号。图片来源：Sci. Adv.

基于FISH传感器的非接触气流感知系统可实现目标类型与方向的多维识别。在实验中，研究人员向目标施加不同速度与方向的气流，FISH阵列将感知到的气流特征编码为脉冲频率图像。通过旋转单个FISH器件，验证其对气流方向具有类神经元的选择性响应特性。FISH阵列（5×5）可映射出不同气流方向下的模拟“蝴蝶”气流。借助包含10类标签的自定义数据集训练脉冲神经网络，系统实现了92.25%的识别准确率。该平台兼具低功耗、柔性特性以及对目标速度、方向与类型的协同识别能力，整体性能优于现有非接触感知器件。

非接触识别系统。图片来源：Sci. Adv.

随后，研究者将非接触识别系统集成至仿生蜘蛛机器人中，机器人头部配备摄像头，尾部安装2×3的FISH阵列，可通过模拟猎物（如苍蝇）或天敌（如鸟类）所产生的气流模型，感知目标的类型与方向。即使在光线昏暗、视觉系统无法识别目标的环境下，FISH非接触系统仍可凭借气流感知作出攻击或逃逸等决策，展现出类似生物的环境适应能力。

仿生蜘蛛机器人演示。图片来源：Sci. Adv.

“一台数字相机在每秒24帧、每帧6 Mb的条件下，每秒需传输约144 Mb的图像信息。连续的图像采集、处理和数据传输将消耗大量能量，严重限制了其在能源受限场景中的应用”，作者解释道，“相比之下，许多昆虫依靠体表稀疏分布的毛感受器，以极低能耗实现环境感知。受此启发，我们开发了一种柔性非接触感知系统，能够大幅压缩数据量，并在无视觉条件下实现高效的非接触触觉感知。这一系统显著拓展了环境适应性，同时保持超低功耗，在相同能量预算下实现更广泛的传感覆盖。”

A flexible spiking hair sensillum for ultralow power density noncontact perception

Haotian Long, Zhenhua Wan, Mengjiao Pei, Kailu Shi, Lesheng Qiao, Yi Shi, Qing Wan, Changjin Wan

Sci. Adv. 2025, 11, eady0336. DOI: 10.1126/sciadv.ady0336

参考文献：

[1] E. K. Boahen, et al. Bio-Inspired Neuromorphic Sensory Systems from Intelligent Perception to Nervetronics. Adv. Sci.2025, 12, 2409568. DOI: 10.1002/advs.202409568

[2] Y. Li, et al. An all-optical multidirectional mechano-sensor inspired by biologically mechano-sensitive hair sensilla. Nat. Commun. 2024, 15, 2906. DOI: 10.1038/s41467-024-47299-0

导师介绍

万青

施毅

来源：X一MOL资讯