JP2021506194A - センサベースの通信装置および方法、および通信媒体 - Google Patents

Abstract

説明される実施形態では、センサベースの通信装置１００が開示される。通信装置１００はそれぞれの固有のパルスシグネチャ２００に関連付けられ、それぞれのセンサ１１３と通信するように適合された複数のセンサノード１１２を備え、各センサ１１３はそれぞれの刺激１１３ｂに応答して感覚信号１１３ａを生成するように構成される。各センサノード１１２は対応する感覚信号１１３ａを受信するとトリガされ、センサノード１１２によって共有される伝送媒体１１０を介して、関連する固有パルスシグネチャ２００を独立して非同期に伝送し、センサノード１１２によって伝送される固有パルスシグネチャ２００は、対応するセンサ１１３によって検出される刺激に関連する刺激事象の表現３００である。方法および通信媒体も開示される。【選択図】図１

Description

本開示は、センサベースの通信装置、センサベースの通信方法、および通信媒体に関する。

人工的な体性感覚知覚は典型的には不均一な表面にわたって急速に変化する接触刺激を捕捉し、処理することができるセンサアレイを必要とする。電子スキン（ｅ‐スキン）は、高度な協調的人体形態ロボットおよび神経人工器官におけるアプリケーションとの人間‐機械‐環境相互作用の感知を容易にするように配列された電子デバイスである。高感度のコンプライアントなｅ‐スキンセンサの開発において多くの進歩がなされてきたが、そのようなｅ‐スキンセンサの既知の信号通信構成は多くの欠点を有する。

センサの１つの公知の配置は信号通信のための従来の時分割多元接続（ＴＤＭＡ）アーキテクチャに依存し、このアーキテクチャでは、センサは所定の周波数または所定の時間スロットでサンプリングされる。シーケンシャルデータ取得は、アレイが大きくなるほど大きな伝送遅延をもたらすため、ＴＤＭＡベースのセンサシステムは、スケーラビリティが悪いことが知られている。さらに、個々のセンサをアドレス指定するための従来の行列配線は損傷しやすい。さらに、センササンプリング周波数が低すぎる場合には、針刺し又は物体滑りのような高度に局所化された一時的な接触刺激が見逃されることがある。

別の構成は、無線信号通信のための符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）技術に依存する。ＣＤＭＡは、中間周波数からキャリア周波数への信号変調が必要なため、より複雑である。電力調整のための追加のモジュールも必要である。さらに、ＣＤＭＡは低周波干渉（例えば、ＡＣ電力雑音）に比較的影響されやすいレベルシフト符号を使用する。さらに、ＣＤＭＡは、典型的には高価な高分解能ＡＤＣを必要とする。ＣＤＭＡはまた、低い容量を有することが知られている。

別の公知の構成は、アドレス事象表現（ＡＥＲ）を含む。ＡＥＲは、先着順ベースでデータパケットを時分割多重化するために非同期ハンドシェークに依存する。ＡＥＲでは、パケット衝突が発生した場合に最初に送信するパケットを決定するために、アービトレーションロジックの実装が必要です。これにより、ネットワークが複雑になる。

光ＣＤＭＡは別の公知の信号通信構成であり、単極パルスを使用し、従って追加の同期信号及びプロトコルを必要とすることが知られている。専用の電気光学部品も必要である。

さらに別の構成はイーサネットを使用する。それは複数のノードからの同時パケット伝送をサポートしない。さらに、パケット衝突を防止するために送信オーバーヘッド（搬送波感知多重アクセスなど）が必要であり、プロトコルを実施するために複数の別個の導体が必要である。

従来技術の欠点の少なくとも１つに対処し、かつ／または公衆に有用な選択肢を提供する、センサベースの通信装置、センサベースの通信方法、および通信媒体を提供することが望ましい。

第１の態様によれば、それぞれの固有パルスシグネチャに関連付けられ、それぞれの刺激に応答して感覚信号を生成するように構成された各センサと通信するように構成された複数のセンサノードを含み、各センサノードは対応する感覚信号の受信時にトリガされ、関連する固有パルスシグネチャをセンサノードによって共有される伝送媒体を通じて独立かつ非同期に送信し、センサノードによって送信される固有パルスシグネチャは、対応するセンサによって検出される刺激に関連する刺激事象の表現である、センサベースの通信装置が提供される。

記載された実施形態は特に有利である。例えば、センサノードは、それぞれのパルスシグネチャを各トリガと独立して、すなわち刺激の受信時に送信するように構成されるので、高効率のシグナリング方式を達成することができる。記載された実施形態は、単一の刺激事象に応答する事象ベースの感知素子を使用することを含むので、結果として生じる空間および時間のパターンを使用して、刺激事象を表すことができる。

好ましくは、センサノードのそれぞれの固有パルスシグネチャの各パルス間隔が固有の持続時間を有する可能性がある。このような配置は、センサノードによって送信されるパルスの衝突確率を低減するのに有用である。

固有のパルスシグネチャは、８個または１０個のパルス、または任意の数のパルスを有することができる。信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）の最適な性能は、パルスの数がこの範囲または８〜１４パルスの代替範囲内にあるかまたはそれに近い場合に達成することができる。

代替的に、センサノードのうちの１つのユニークなパルスシグネチャは第１の数のパルスを有してもよく、センサノードのうちの別のものユニークなパルスシグネチャは第１の数とは異なる第２の数のパルスを有する可能性がある。この構成により、例えば、関連するセンサの種類および数に基づいて、パルスの数を柔軟に決定することができる。

好ましくは、固有のパルスシグネチャが１ｍｓ（ミリ秒）のシグネチャ持続時間を有する。これは、センサノードが生物学的対応物の伝送性能を模倣することを可能にする。シグネチャ持続時間は、様々な容量ニーズを満たすように調整することもできる。

代替的に、センサノードのうちの１つの固有パルスシグネチャは第１のシグネチャ持続時間を有してもよく、センサノードのうちの別の１つの固有パルスシグネチャは第１のシグネチャ持続時間とは異なる第２のシグネチャ持続時間を有する可能性がある。この構成は例えば、関連するセンサの種類及び数に基づいて、シグネチャ持続時間を柔軟に決定することを可能にする。

好ましくは、固有のパルスシグネチャが６０ｎｓ（ナノ秒）のパルス持続時間を有することができる。これは、センサノードが生物学的対応物の伝送性能を模倣することを可能にする。より好ましくは固有のパルスシグネチャが６０ｎｓ（ナノ秒）より短いパルス持続時間を有することができ、これは容量を最大にし、誤り率を最小にすることができる。

あるいはセンサノードのうちの１つのユニークなパルスシグネチャが第１のパルス持続時間を有してもよく、センサノードのうちの別のユニークなパルスシグネチャは第１のパルス持続時間とは異なる第２のパルス持続時間を有する可能性がある。この構成により、例えば、関連するセンサの種類及び数に基づいて、パルス持続時間を柔軟に決定することができる。

好ましくは、装置がセンサをさらに備える。装置は、各センサノードが対応するセンサと一体化されるか、さもなければ関連付けられるように製造されてもよい。装置がセンサを含まない場合、装置のセンサノードは、外部センサに関連付けられるように適合されてもよい。センサは、異なる感度の触覚センサを含んでもよい。異なる感度のセンサを混合することによって、刺激事象のより正確で包括的な表現を得ることができる。さらに、センサは、温度センサを含んでもよい。電磁センサ、湿度センサ、表面テクスチャセンサ、振動センサ、加速度センサ、および／または光学センサなど、他のタイプのセンサも含めることができる。

好ましくは、各センサノードが対応する感覚信号内の現在値を受信すると、トリガされて、関連する一意のパルスシグネチャのうちの現在の１つと、関連する一意のパルスシグネチャのうちの以前の１つとの間のインターバルによって、現在の値を示すために、関連する一意のパルスシグネチャのうちの現在の１つを送信してもよい。この構成は、センサノードがセンサによる検出の現在値を表す感覚信号を生成するセンサに関連付けられている場合に有用である。例えば、感覚信号は、現在値を表す状態を有することができる。低速適応（ＳＡ）センサ（または低速適応センサとなるように構成された圧電抵抗抵抗素子）は、そのようなセンサの１つである。

センサノードはロボット、人間、および車両のうちの１つに関連付けられるように適合されてもよく、またはロボットがそのようなセンサベースの通信装置を備えてもよい。

好ましくは、センサノードが外部エネルギー源から電力を得ることができる。そのような源は、電磁波、機械的運動、太陽エネルギー、化学物質などの源であってもよい。

装置はさらに、送信された固有パルスシグネチャに関連する入力信号を、送信媒体を通して受信し、各センサノードの関連する固有パルスシグネチャを、入力信号に関連する中間信号と相関させ、刺激事象の表現のための相関の結果に基づいて、センサノードのそれぞれのトリガの時間を示す指示信号を提供するように構成された受信機を備えてもよい。受信機はセンサノードに対して局所的に、または遠隔的に配置されてもよい。

好ましくは、受信機が、受信機による受信信号内のエッジの検出時に、それぞれが起動され、中間信号を固有のパルスシグネチャの対応するものと相関させる複数のフィルタを含む。この構成により、エッジが受信信号内で検出されたときに、フィルタを起動して、中間信号とシグネチャとを並列に相関させることができる。すなわち、シグネチャが送信されない（したがってエッジがない）場合、フィルタは節電のために非活性化のままにできる。フィルタに関連する他の構成要素（例えば、相関閾値回路）は、対応して活性化および非活性化されてもよい。

伝送媒体は導電性媒体を含んでもよく、センサノードは導電性媒体に沿って分配され、導電性媒体を介して互いに電気的に結合されてもよい。好ましくは、センサノードが導電性媒体の表面上に配置される。好ましくは、センサノードが導電性媒体内に埋め込まれる。好ましくは、導電性媒体はポリマーから作られる。好ましくは、導電性媒体が弾性かつ可撓性である。好ましくは、導電性媒体がメッシュまたは平面の形態である。このような構成の１つ以上では、導電性媒体を介した信号通信が裂け目などの損傷に耐性がある。導電性媒体の２つの部分の間の通信は一方の部分が完全に裂けたり、別の部分から別の方法で取り除かれない限り、影響を受けないままである。

導電性媒体は、導電性ファブリック、導電性バルク導体、導電性基板、導電性固体、導電性ゲル、および導電性流体のうちの少なくとも１つを含むことができる。例えば、導電性媒体が織物または基材の形態で実施される場合、電子スキン用途に適していることがある。疑いを避けるために、「流体」は「液体」を含むことができるが、これに限定されない。

各センサノードは、１つ以上の固有のパルスシグネチャに関連付けられ得ることが想定される。好ましくは、各センサノードがさらなる（または別の）固有のパルスシグネチャにさらに関連付けられてもよい。この構成は、各センサの感覚信号が２つの状態を有する場合に有用である。各センサノードは、第１の状態で対応する感覚信号を受信すると、関連する固有パルスシグネチャを送信するようにトリガされ、第２の状態で対応する感覚信号を受信すると、関連するさらなる固有パルスシグネチャを伝送媒体を介して独立して伝送するようにトリガされ得る。各センサノードに関連付けられた固有のパルスシグネチャは、対応する感覚信号内の状態の数に対応するか、またはそれを超えることがある。

各センサノードはそれぞれのセンサノードの内部状態を示すために、関連するさらなる固有パルスシグネチャを伝送媒体を介して独立して伝送するように構成されてもよい。この構成は、内部状態を示すための別の通信経路またはチャネルの必要性を低減する。

さらに、各センサノードの固有のパルスシグネチャは、異なるパルス極性を有する可能性がある。例えば、センサノードに割り当てられた２つのシグネチャは同じパルス位置および逆のパルス極性を有してもよく、パルス極性は正または負の電圧電位である。さらに、センサノードの２つのシグネチャは、別の方法では部分的にまたは全体的に異なっていてもよい。

有利には、刺激事象の表現が時空間表現であってもよい。

第２の態様ではそれぞれの刺激に応答して、対応するセンサによって生成された感覚信号を受信するステップと、感覚信号を受信すると、複数のセンサノードのそれぞれ１つをトリガして、センサノードによって共有される伝送媒体を介して、関連する固有のパルスシグネチャを独立して非同期に送信するステップとを含み、センサノードによって送信される固有のパルスシグネチャは対応するセンサによって検出される刺激に関連する刺激イベントの表現である、センサベースの通信方法が提供される。

第３の態様では、導電性媒体と、導電性媒体に沿って分散され、導電性媒体を介して互いに電気的に結合された複数のセンサノードと、を備える通信媒体が提供される。

記載される実施形態の導電性媒体はセンサノード配置において高度の柔軟性を提供し、センサノードのための堅牢な信号伝導経路を提供する。

１つの態様に関連する特徴は、他の態様に適用可能であり得ることが想定される。

以下、添付図面を参照して実施形態を説明するが、同様の部分には同様の参照番号を付してある。
本開示の一実施形態によるセンサベースの通信装置の概略図である。 図１の装置の通信媒体の拡大部分斜視図である。 通信媒体の各センサノードのいくつかの構成要素と、図１の装置の加算回路とを示す概略図である。 図１の装置の受信機のいくつかの構成要素を示す概略図である。 図１の装置のセンサノードの１つの固有のパルスシグネチャのタイミング図である。 比較のために図５のタイミング図の横に示されている、図１の装置のセンサノードのうちの別のセンサノードの別の固有のパルスシグネチャの別のタイミング図である。 図７Ａは図７Ａ（ｉ）、（ｉｉ）および（ｉｉｉ）を含み、１つのシナリオにおいて、図１の装置の受信機によって受信された受信信号のタイミング図と、図１の装置の受信機によってそれに応じて生成された指示信号とを比較する。 別のシナリオにおける、図１の装置の５つのセンサノードによって送信されたパルスシグネチャに基づく刺激事象の時空間表現を示すタイミング図である。 図７Ｂのタイミング図に対応する受信信号を示す。 図７Ｂのシナリオにおいて、図１の受信機によって提供される対応する指示信号を示すタイミング図である。 触覚刺激事象の時空間表現を示す、異なる時点の一連の表現を示す。 １４パルスを有する別の例のパルスシグネチャのタイミング図である。 オーバーラップするパルスシグネチャの数に対する時間精度の図である。 相関閾値と検出誤り確率との関係を示す図である。 図１の受信機の出力の信号対干渉および雑音比（ＳＩＮＲ）と、シミュレーションおよび実験のそれぞれで得られた重複シグネチャの数との関係を示す図である。 異なるパルス幅について得られた、図１の受信機の出力のＳＩＮＲと、重なり合うシグネチャの数との関係を示す図である。 図１の受信機の出力のＳＩＮＲと、各シグネチャ内の異なる数のパルスについて得られた重なり合うシグネチャの数との関係を示す図である。 図１の装置によって使用されるパルスシグネチャを生成するためのアルゴリズムの例示的な方法のステップを示す。 本開示の装置の別の実施形態を使用して得られた、ロードセルに対する高速適応センサおよび低速適応センサによって感知された圧力の経時的なプロットである。 図１１Ａの実施形態をより短い期間使用して得られた、ロードセルに対する高速適応センサおよび低速適応センサによる圧力検出の各インスタンスの経時的なプロットである。 マイクロピラミッド型ピエゾ抵抗センサを構築するために使用されるエラストマーのヤング率を変更することによって開発された不均一なトランスダクションプロファイルを用いて実施されるフレキシブル圧力センサの写真表現を示す。 図１２Ａおよび１２Ｃに関連する圧力に対する抵抗のプロットを示す。 マイクロピラミッド型ピエゾ抵抗センサを構築するために使用されるエラストマーのヤング率を変更することによって開発された不均一なトランスダクションプロファイルを用いて実施されるフレキシブル圧力センサの写真表現を示す。 本開示の装置の別の実施形態による、熱い液体のカップに関連する人間の手の形状のロボットエフェクタ上の圧力センサおよび温度センサのアレイの写真表示を示す。 図１３Ａの温度センサを使用して得られた抵抗率対温度のプロットを示す。 図１３Ａの温度センサのうちの１つの光学顕微鏡像を示す。 図１３Ａの温度センサの温度に対するシグネチャ伝送率のプロットを示す。 単一の基板上の抵抗圧力および温度センサの配置を示す。 図１３Ａの適用において得られた、時間に対する指示信号の図を示す。 図１４Ａに示される指示信号に基づく刺激検出の図を示す。 本開示の装置の別の実施形態を使用して得られる、高速適応センサによる触覚刺激検出の時空間表現またはパターンを示す。 図１５Ａの装置を使用した、異なる物体のスリップ検出の図を示す。 物体特徴分類の実験における６９個の高速適応センサを備えた別の配置を示す。 図１６Ａの実験の結果を示し、高速適応センサの性能を、局所曲率分類における低速適応センサの性能と比較する。 図１６Ａの高速適応センサの別の用途における、同一の幾何学的特徴および異なる硬度値のそれぞれの物体に対する分類精度のそれぞれの図を示す。 異なる幾何学的特徴のソフトオブジェクトの分類精度の図を示す。 それぞれ、無傷状態および損傷状態における図１の装置の導電性織物を示す。 それぞれ、本開示の装置の２つの代替配置におけるメッシュ／平面導体部分を示す。 それぞれ、本開示の装置の２つの代替的な配置におけるパターン化されたワイヤを示す。 ３つの異なる空間的形成におけるそれぞれの統合された高速適応センサを有する９つのセンサーノードを示す。 本開示の装置の一構成による、完全な状態および損傷した状態の導電性布帛、ならびに導電性布帛に関連する圧力センサの対応する圧力マップを示す。 無傷および損傷状態の従来の導電性トレース、およびトレースに関連する圧力センサの対応する圧力マップを示す。 図２３Ａのトレースおよび圧力センサの回路図を示す。 センサノードの数の増加によって引き起こされるリンギング効果を示す信号図を示す。 図２４Ａと関連して、パルス幅対センサノードの数のプロットを示す。

図１は、本開示の一実施形態によるセンサベースの通信装置１００の概略図を示す。装置１００は、通信媒体１１０および受信機１３０を含む。この実施形態では、通信媒体１１０がロボットの手で覆うか、または着用される、図１に示される電子スキンの層を含む。

図２は、通信媒体１１０の拡大部分等角図を示す。通信媒体１１０は導電性ファブリック１１１（例えば、導電性基板または媒体）と、導電性ファブリック１１１に電気的に取り付けられ、その中に埋め込まれる複数のセンサノード１１２とを含む。センサノード１１２は、それぞれの固有パルスシグネチャ２００に関連付けられ、それぞれのセンサ１１３と通信するように構成される。この実施形態では各センサノード１１２が対応するセンサ１１３と一体的に形成されるが、これは他の実施形態では当てはまらない場合がある。各センサ１１３は、それぞれの刺激１１３ｂを検出すると、感覚信号１１３ａ（図１参照）を生成する。本実施形態では、各センサ１１３がタッチまたは圧力に応答して感覚信号１１３ａを生成する触覚センサである。各センサノード１１２は、それぞれのセンサ１１３からの対応する感覚信号１１３ａの受信時にトリガされ、センサノード１１２によって共有される伝送媒体を介して独立して関連する固有パルスシグネチャ２００を伝送する。この実施形態における伝送媒体は、通信媒体１１０の導電性ファブリック１１１である。他の実施形態では、伝送媒体がセンサノード１１２によって共有される任意の媒体とすることができる。例えば、伝送媒体は、振動／音、光学、および／または磁場信号を伝送することができるものであってもよい。

特に、図３を参照すると、各センサノード１１２は、それぞれのセンサ１１３（図３には示されていない）に関連付けられたデジタルパルス発生器１１４をさらに含む。デジタルパルス発生器１１４は、対応するセンサ１１３に動作可能に関連するマイクロコントローラ１１６と、マイクロコントローラ１１６の出力をフィルタリングするように配置されたハイパスフィルタ１１７とを含む。各センサノード１１２について、マイクロコントローラ１１６は、関連する固有パルスシグネチャ２００の正電位、休止電位および負電位にそれぞれ対応する３つの位置（「Ｖｄｄ」、「Ｈｉｇｈ Ｚ」および「Ｖｓｓ」）の間で移動可能なデジタルＩ／Ｏピンを含む（図５参照）。関連する固有パルスシグネチャ２００のパルスを生成するための命令は、マイクロコントローラ１１６に予めプログラムされている。命令は、パルスのシーケンスと、各隣接するパルス対の間の時間隔とを指定する。マイクロコントローラ１１６は、それぞれのセンサ１１３からの対応する感覚信号１１３ａの受信時にトリガされ、事前にプログラムされた命令に従ってデジタルＩ／Ｏピンを移動可能に切り替えることによって、関連する固有のパルスシグネチャ２００のパルスをリアルタイムで生成する。感知信号１１３ａに基づくシグネチャ生成のためのマイクロコントローラ１１６のこの動作は、図１において「ＯＰ１」としてマークされた円によって示されている。１つの構成ではマイクロコントローラ１１６（ Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（登録商標）によるＡｔｔｉｎｙ２０（登録商標））がそれぞれの感知信号１１３ａによって示されるセンサ抵抗を電圧に変換するための分圧回路を含む。次いで、この電圧は、マイクロコントローラ１１６のオンボード・アナログデジタル・コンバータ（ＡＤＣ）によって１０ビット分解能で１０ｋＨｚでサンプリングされる。サンプリングされた値はファームウェアモデルに送られて、ヒトの皮膚に見られる受容体の高速適応（ＦＡ）または低速適応（ＳＡ）挙動を模倣するが、これについては以下に説明する。他の実施形態では、マイクロコントローラを使用してそれぞれのパルスシグネチャ２００を生成する代わりに、各センサノード１１２は例えば、機械的（ＭＥＭＳ）スイッチまたはカスタム電気回路を使用して、それぞれのパルスシグネチャ２００を生成してもよい。

ハイパスフィルタ１１７はマイクロコントローラ１１６によって生成されたパルスをフィルタリングまたはコンディショニングするように配置され、導電性ファブリック１１１を介してそれぞれのセンサノード１１２に関連付けられたゲイン調整抵抗１１５を介して伝送するために、対応する固有なパルスシグネチャ２００を提供する。ハイパスフィルタ１１７は、２つの抵抗器とキャパシタとを含む。抵抗器は、正電位（「Ｖｄｄ」とマークされている）に使用される正電源電圧源と、負電位（「Ｖｓｓ」とマークされている）に使用される負電源電圧源との間に電気的に直列に接続される。コンデンサは、抵抗間のノードを介してデジタルＩ／Ｏピンに電気的に接続された第１の端部と、対応するゲイン調整抵抗１１５を介して導電性ファブリック１１１に接続された第２の端部とを有する。したがって、ハイパスフィルタ１１７は、それぞれの固有パルスシグネチャ２００内の任意の直流成分および低周波成分をフィルタリングするために使用される。センサノード１１２は、パルス生成およびフィルタリングのために任意の他の適切な回路を採用してもよい。図３に示される回路は、その低コストおよび電力消費のために有利である。

このようにセンサノード１１２によって導電性ファブリック１１１を介して送信された固有のパルスシグネチャ２００は対応するセンサ１１３によって検出された刺激１１３ｂに関連する刺激事象の表現（例えば、時空間表現）である（または提供する）。この実施形態では図１に示すように、刺激事象はボールを保持するロボットの手である。より具体的にはそれぞれのセンサノード１１２によって生成され、送信された固有のパルスシグネチャ２００は対応するセンサ１１３によって検出された刺激１１３ｂに関連する刺激事象の時空間表現を取得するための基礎として集合的に働く。センサノード１１２（またはセンサ１１３）の位置、およびセンサノード１１２のトリガのそれぞれの時間（またはセンサ１１３による圧力検出）を知ることにより、刺激事象の時空間表現を正確にレンダリングすることができる。すなわち、刺激事象に関連して送信された固有のパルスシグネチャ２００は、それぞれのセンサ１１３によるそれぞれの刺激の検出を時間的に記述する情報を搬送または保存する。それぞれのセンサノード１１２と一緒に配置されたセンサ１１３の位置（または相対位置）の知識と組み合わせて、センサ刺激の時空間表現をレンダリングすることができる。

図５は、センサノード１１２のうちの１つによって導電性ファブリック１１１を介して送信される、固有のパルスシグネチャ２００を示す。この実施形態では、固有のパルスシグネチャ２００が双極性であり、それぞれのセンサノード１１２によって独立して非同期に送信される。この特定の実施形態では各固有パルスシグネチャ２００の各パルス間隔が固有の持続時間（図６参照）を有し、固有パルスシグネチャ２００は８つのパルスを有し、１ｍｓ（ミリ秒）のシグネチャ持続時間を有し、固有パルスシグネチャ２００は６０ｎｓ（ナノ秒）のパルス持続時間を有する。各固有パルスシグネチャ２００の隣接するパルスの各ペアは、装置１００内で固有の持続時間を有する。パルスシグネチャ２００における電圧パルスの総数は、パルスシグネチャ２００「重み」を示す。１ｍｓのシグネチャ持続時間は、第１の電圧パルスからパルスシグネチャ２００の最後の電圧パルスまでの最大許容時間差を指定する。

再び図３を参照すると、装置１００はさらに、センサノード１１２および受信機１３０に電気的に関連付けられた加算回路１２０を含む。加算回路１２０は、接地される非反転入力端子と、導電性ファブリック１１１に電気的に接続される反転入力端子とを有する演算増幅器１２１を含む。加算回路１２０はさらに、反転端子と演算増幅器１２１の出力端子との間に電気的に接続された抵抗１２２とコンデンサ１２３との並列接続を含み、出力端子は受信機１３０に接続される。このような構成では、加算回路１２０がセンサノード１１２によって送信された固有のパルスシグネチャ２００内のＤＣ成分をフィルタリングまたは抑制し、また、受信機１３０による受信のために導電性ファブリック１１１を介して送信するために、時間領域において固有のパルスシグネチャ２００を「合計」または結合する働きをする。加算回路１２０は、他の実施形態では受信機１３０の一部を形成してもよい。そのような構成では、加算または結合されたシグネチャ２００内の各パルスの時間位置がクリッピング動作によって影響されないままであるという条件で、加算回路１２０が演算増幅器１２１の供給レールを超える加算または結合されたシグネチャ２００の任意の部分をクリッピングすることができる。実装に応じて、加算回路１２０はさらに、抵抗器１１５および導電性ファブリック１１１を含み、加算回路１２０は、伝送媒体全体に分散されていると見なすことができる。センサノード１１２のうちの１つに関して図２に示すように、分散配置では、加算回路１２０の抵抗器１１５がそれぞれのセンサノード１１２に近接して、加算回路１２０の他の構成要素１２１〜１２３から遠位側に配置される。図３の現在の実施形態では利便性、大きさおよび電力の制約を考慮して、演算増幅器１２１、抵抗器１２２およびコンデンサ１２３は受信器１３０の近傍に配置される。

また、図１および図２は、センサノード１１２によって独立して送信され、加算回路１２０を介して導電性ファブリック１１１を介して受信機１３０によって受信される入力信号３００を集合的に形成する固有のパルスシグネチャ２００の表現を示す。入力信号３００の形態では、シグネチャ２００が対応するセンサノード１１２がトリガされるときに独立して非同期的に送信されるので、組み合わせられるか、または重ね合わせられると考えられてもよい。入力信号３００内のパルスは、ほとんどが互い違いになっていることが分かる。図４を参照すると、受信機１３０は、検出およびデジタル化回路１３１と、この実施形態ではデジタルフィルタである複数のフィルタ１３２とを含む。検出およびデジタル化回路１３１は入力信号３００内のエッジを検出し、エッジ検出時にフィルタ１３２を活性化し、入力信号３００上でアナログデジタル変換を行って中間信号３００´を提供するように構成される。この構成により、フィルタ１３２は、エッジが検出およびデジタル化回路１３１によって入力信号３００内で検出された場合にのみ起動される。したがって、受信機１３０の電力消費は低減され得る。したがって、受信機１３０は、まばらな刺激事象またはまれな刺激事象のシナリオでの使用に特に適し得る。送信されたシグネチャ２００は上述したように、刺激事象の表現であるので、送信されたシグネチャ２００から生じる入力信号３００は、刺激事象の表現であると考えることができる。

フィルタ１３２の各々は、中間信号３００´内のセンサノード１１２のそれぞれの１つの固有のパルスシグネチャ２００を検出して、刺激事象に関連するそれぞれのセンサノード１１２のトリガの時間を示すように構成される。具体的には、各フィルタ１３２が中間信号３００´上で相関演算（例えば、時間領域での畳み込みまたは乗算）を、対応する固有パルスシグネチャ２００と共に行うように構成され、パルス（「指示パルス」、図４）の形態で対応するセンサノード１１２のトリガの対応する時間を示すための指示信号４００を提供し、この相関演算は図１において「ＯＰ２」としてマークされた円によって示される。指示信号４００が対応するセンサ１１３による感覚信号１１３ａの生成を示すために、高い相関の時点で指示パルスと連続した信号であってもよい。指示パルスはバイナリ「１」を表す正のパルスであってもよいし、バイナリ「０」を表す負のパルスであってもよい。図４では、２つの正の指示パルスと１つの負の指示パルスが示されている。この例では極性に関係なく、指示信号４００内のパルスは対応するセンサ１１３による触圧の検出を示す。固有のパルスシグネチャ２００はそれぞれのフィルタ１３２によって使用するために、受信機１３０内に予めプログラムされてもよい。

図４に図示されるように、受信機１３０は、フィルタ１３２にそれぞれ関連付けられた複数の閾値回路１３３をさらに含む。各閾値回路１３３は相関演算の対応する結果が相関閾値を下回る場合に、対応する指示信号４００内の指示パルスを抑制するように構成される。例えば、（例えば、中間信号３００´が所与の時間点においてそれぞれのシグネチャ２００の少なくとも７つのパルスと同時に相関する場合）例えば相関閾値７で、シグネチャに対する相関演算の結果が６である場合（すなわち、相関閾値を下回る場合）、対応するフィルタによって生成される指示パルスはエラーの可能性（すなわち、低い相関）のために、対応する閾値回路１３３によって抑制される。相関閾値は、例えばフィルタ１３２の統計値に基づいて調整されてもよい。次いで、指示信号４００は記憶、提示、または任意の他の使用のために、コンピューティングデバイス５００によって受信される。閾値回路１３３の作動および非作動は、それぞれのフィルタ１３２のそれらに依存してもよい。

図７Ａは、１６パルスのそれぞれの固有のパルスシグネチャ２００に関連する６つのセンサノード１１２を含む別の構成で装置１００を使用して得られる３つのタイミング図（ｉ）、（ｉｉ）、および（ｉｉｉ）を示す。トップパルス図（ｉ）は受信機１３０によって受信された入力信号３００を示し、入力信号３００は、パルス図（ｉｉ）に示されている６つのセンサノード１１２によって送信されたパルスシグネチャ２００から形成される。下側の図（ｉｉｉ）はフィルタ１３２の指示信号４００を示し、閾値回路１３３の相関閾値は、水平の破線によってマークされている。下の図では、各小円が、中間信号３００´と対応する固有のパルスシグネチャ２００´との相関の結果がそれぞれの閾値回路１３３の相関閾値を超える、それぞれの高相関の時点を示す。それぞれのセンサ１１３による刺激検出の相対時間は高い相関のそれぞれの時点（すなわち、それぞれの指示パルス）に基づいて正確に決定または分解することができることを理解されたい。例えば、図７Ａ（ｉｉｉ）を参照すると、ノード４によるシグネチャ送信は、ノード５によるシグネチャ送信よりも４．９μｓ早く発生する。従来の時間多重化システムはメガヘルツ範囲のフレームレートを採用することなく、このようなレベルの時間分解能を達成することができず、これはセンサの大きなアレイを伴うほとんどの実際的な状況では不可能である。例えば、１．９ｋＨｚのサンプリングレートを有する従来の２５６素子の滑り検出アレイは現行の規格による非常に高速なセンサアレイと考えられ、装置１００で達成可能なサンプリングレートよりも少なくとも５００倍遅い、ほぼ５００μｓの時間分解能しか達成することができない。

図７Ｂは刺激事象の時空間的性質を示すために、刺激事象に関連する５つのセンサノード１１２による固有のパルスシグネチャ２００の送信を示す図である。例示として、各シグネチャ２００の第１のパルスは中空の円ＡＡによってマークされ、各中空の円ＡＡはそれぞれの破線ＢＢによって別の中空の円ＡＡにリンクされる。これは、刺激事象（例えば、タッチ）に関連するそれぞれのセンサ１１２の刺激の例示的な時空間表現である。この特定の例では、各センサノード１１２の固有なパルスシグネチャ２００が正のパルスで始まる。したがって、刺激事象に関連して送信される各シグネチャ２００の第１のパルスは、それぞれのセンサ１１３の感覚信号１１３ａによってそれぞれのセンサノード１１２のトリガの相対的な時点を示すことができる。

図７Ｃは、受信機１３０によって受信されるための入力信号３００を形成するために組み合わされた図７Ｂのシグネチャ２００を示す。図７Ｄは、図７Ｃの入力信号３００に基づいて受信機１３０によって提供される、図７Ｂのセンサノード１１２に対応する指示信号４００を示す。各センサノード１１２に対して、各中空円ＡＡは、対応する固有パルスシグネチャ２００と中間信号３００´との間の相関の結果が対応する斜線領域によってマークされた相関閾値を超える時点をマークする。各中空円ＡＡは信号の時空間的性質を示すために、それぞれの破線ＢＢによって別の中空円ＡＡに接続されるように示される。図７Ｄの中空円ＡＡの相対的な時点は、図７Ｂに示されるものと類似または同一であることが理解され得る。これは、センサ刺激の時空間図形が高シグネチャ相関の時点を基準にして表すことができることを意味する。したがって、センサ１１３（またはセンサノード１１２）の物理的位置の知識を用いて、高い相関の相対的な時点に基づいて刺激事象の時空間表現をレンダリングすることができる。

図８は、別のシナリオにおける指示信号４００に基づいてセンサ１１３によって検出された刺激に関連する刺激事象の例示的な時空間表現６００を示す。この例では、通信媒体１１０が電子スキン（または薄手袋）の形態で実装され、固体の丸い物体１９０を挟む人間のユーザの右手に装着される。指示信号４００およびセンサ１１３の位置（相対的または絶対的）の知識に基づいて、それぞれのセンサ１１３による触圧検出の時間（または時点）を時空間的に表すことができる。

時点ｔ_−１において、通信媒体１１０は、対象物１９０とまだ接触していない。各センサ１１３の非検出状態は、小さな中空円６１０によってマークされる。

時刻ｔ_０では、通信媒体１１０が物体１９０に当接し、センサ１１３の一部が刺激１１３ｂとして触圧を検出し、センサ１１３の検出状態が小さな黒丸６２０で示されている。検出ステータスの各センサ１１３について、対応する指示信号４００内の結果として生じる指示パルス６３０が、対応する水平線上に示される。対応する水平線に沿った指示パルス６３０と対応する小さな黒丸６２０との間の距離は、対応するセンサ１１３による圧力検出からの経過時間の量に比例する。すなわち、指示パルス６３０は、時間が経過することにつれて、対応する水平線に沿って右に向かって移動する。

時点ｔ_１において、通信媒体１１０は変形し、センサノード１１２の大部分はより多くの指示パルス６３０、６４０によって示されるように、丸い物体１９０と接する。時間ｔ_０においてセンサノード１１２の小部分によって生成された指示パルス６３０はさらに右側に移動し、これらの指示パルス６３０のセンサ１１３による圧検知からより多くの時間が経過したことを示すことが分かる。

時点ｔ_２において、通信媒体１１０は、丸い物体１９０への把持力が増大し、センサノード１１２のさらに大きな部分が物体１９０と接触するようになるにつれて、より変形し、さらに多くの指示パルス６３０〜６５０によって示される。生成された指示パルス６３０〜６５０によって形成され、丸い物体１９０を挟む刺激事象を表す明確な時空間パターンを明確に観察することができる。

図９Ａは量子化後の１４パルス（重み、Ｗ、１４）を伴う別のパルスシグネチャを示しており、最初のパルスは矩形のボックスでマークされている。「Ｖ_＋」と「Ｖ₋」は、それぞれパルス検出の量子化しきい値をマークする。

図９Ｂは、実際の実験において２４０個のセンサを用いて得られた、各シグネチャ２００における異なる数のパルス（または重みＷ）についての、重なり合うパルスシグネチャ２００の数に対する指示信号４００の時間的精度の図を示す。斜線領域は、それぞれの標準偏差を示す。受信機１３０の出力は、送信された固有パルスシグネチャ２００の相対時間差を６０ｎｓ以下の時間精度で維持する。送信待ち時間も一定であり、パルスシグネチャ２００の持続時間のみに依存し、センサノード１１２の数には依存しない。

図９Ｃは、重みＷが１０の相関閾値と検出誤り率（伝送誤り率）との関係を示す。２４０個の同時送信センサノード１１２（衝突の発生を保証するための同時送信）および６の相関しきい値を用いて、０．００００２３（０．００２３％）の偽陽性確率および０．０００３１（０．０３１％）の検出失敗確率を達成することができる。モンテカルロシミュレーションを使用すると、１０００個の重なり合うシグネチャ２００であっても、０．０２４（または２．４％）の偽陽性検出の確率、または０．００２１（または０．２１％）の誤検出の確率を達成することが可能である。触覚事象の典型的にまばらな性質を仮定すると、１０００個の重なり合うシグネチャ２００の確率は低いと予想される。図９Ｃの破線は、シミュレーション結果を表す。図９Ｃの結果は、９５％の信頼限界で得られる。

図９Ｃのシミュレーションでは、各センサノード１１２が単一のシンボル（すなわち、パルス）を送信する。任意の２つのシンボル間のオーバーラップの範囲は、最小１パルス幅からシグネチャ全体の継続時間の最大値まで均一なランダム分布をとる。送信されたシンボルの極性もランダムに割り当てられる。このシミュレーションで使用される符号（すなわち、シグネチャ２００）は、最大自己相関値および相互相関値が２である。パルス幅は持続時間が６０ｎｓであり、全てのパルスシグネチャ２００は、１ｍｓの持続時間を有する。１０万 モンテカルロ試行はシグネチャ重み（すなわち、各シグネチャ２００におけるパルスの数）およびセンサノードの数の各組合せに対して行われる。

図９Ｄは重み、Ｗ、１０およびパルス幅６０ｎｓを有する重複シグネチャ２００の数に対する、受信機１３０の出力（すなわち、指示信号４００）の信号対干渉およびノイズ比（ＳＩＮＲ）の図を示す。図９Ｄでは、破線はモンテカルロ・シミュレーションによる結果を示し、四角でマークした線は実際の結果を示し、破線と同様の傾向を示している。

図９Ｅは、シミュレーションを用いて異なるパルス幅について得られた、重複シグネチャ２００の数に対する、受信機１３０の出力のＳＩＮＲの図を示す。受信機１３０の出力のＳＩＮＲは、パルス幅または持続時間を減少させることによって改善され得ることが理解され得る。

図９Ｆは６０ｎｓのパルス幅に基づくシミュレーションを使用して、異なる重み（すなわち、各シグネチャ２００におけるパルス数）について得られた、重複シグネチャ２００の数に対する、受信機１３０の出力のＳＩＮＲの図を示す。より大きなシグネチャ重み（Ｗ）は重なり合うシグネチャの数が１００未満である場合にＳＩＮＲを実質的に改善するが、重なり合うシグネチャの数がより多い場合にはその逆が真である。したがって、１０の重みが最適であり得る。

ＳＩＮＲは、受信機１３０の出力に基づいて、干渉からの刺激検出の分離性を特徴付ける。実験では、２４０個のセンサノードのアレイを有する物理的ハードウェア・テスト・セットアップが開発され、各々が固有のパルス・シグネチャでプログラムされ、ＳＩＮＲを決定する。各試行は１ｍｓ未満のランダムな遅延の後に、それぞれのパルスシグネチャを送信するようにセンサノードをトリガするために、すべてのセンサノードにブロードキャストされる外部デジタルエッジ信号で始まる。これは、２４０個の送信されたシグネチャが試行の間の様々な時間的オフセットでオーバラップすることを保証する。２４０未満のセンサノードを含む試行の場合、除外されたセンサノードは、トリガを無視するようにプログラムすることができる。

２４０台のセンサノードのうち１６台には、それぞれ伝送ピン（デジタルピン）にプローブが取り付けられています。これらのプローブからの信号は、伝送されるパルスの実際の時間と極性に関するグランド真理値として機能します。これら１６個のプローブからのデジタル信号、ならびに２４０個のセンサノードからの合成パルスシグネチャは、混合信号オシロスコープ（Ｐｉｃｏｓｃｏｐｅ ３４０６Ｄ）によって１２５ＭＨｚで同時にデジタル化され、したがって、すべてのチャネルが時間的に同期されることが保証される。

ＳＩＮＲは、１６個のプローブされたセンサノードに関連する受信機１３０について計算される。干渉値は、対応するセンサノードがそのパルスシグネチャを送信するときの受信機出力の二乗平均平方根（ＲＭＳ）値として計算される。受信機出力の最後の１００ｎｓは、正しいパルスシグネチャの検出に対応し、干渉とみなすべきではないため、ＲＭＳ計算から除外される。次に、ＳＩＮＲは、シグネチャ重みＷと干渉値との間の比として計算される。各ネットワークサイズについて、１０００回の試行が実施され、報告されたＳＩＮＲは、１０００回の試行すべてにわたって１６の受信機から平均される。

タイミング精度は、取り付けられたプローブから得られる最後のパルス送信の開始と、受信機の出力から決定される送信時間との間の時間差として得られる。図９Ｂに報告されたタイミング精度は、各ネットワークサイズについて１０００回の試行全てにわたる平均として得られる。

図１０は、装置１００のためのパルスシグネチャ２００を生成するために使用され得る、例示的なアルゴリズムまたは方法１０００のフローチャートを示す。方法１０００はステップ１０１０〜１０４０年を含み、ステップ１０２０は、サブステップ１０２１〜１０２６を含む。

ステップ１０１０はセンサノード１１２に関連付けられるべき固有のパルスシグネチャ２００を記憶するためのデータベースを作成することを含み、ステップ１０２０に続く。

ステップ１０２０は、サブステップ１０２１〜１０２６を実行することによって、シグネチャ２００のファミリまたはセットを生成することを含む。

サブステップ１０２１は指定された重みの固有のシグネチャ２００を形成するのに十分なパルスが生成されたかどうかを判定することと、肯定の場合はステップ１０２０を終了し、ステップ１０３０に進み、否定の場合はサブステップ１０２２に進むこととを含む。サブステップ１０２１の決定の効果は、生成されているシグネチャ２００のパルス位置が反復的に探索されて、シグネチャ２００のファミリ内で重複する時間的特徴が使用されないこと、および生成されているパルスシーケンスが指定された重みを満たすことを確実にすることである。

サブステップ１０２２は指定されたシグネチャ持続時間内のランダムな時間に新しいパルスを追加することを含み、サブステップ１０２３が続く。

サブステップ１０２３は生成されている現在のシグネチャ２００のパルスシーケンスを、データベース内の任意の重複するシーケンスについて作成されたデータベースに対してチェックすることを含み、サブステップ１０２４に続く。

サブステップ１０２４はサブステップ１０２３においてデータベース内に重複シーケンスが見つかったか否かを判断し、肯定の場合はサブステップ１０２５に進み、否定の場合はサブステップ１０２６に進むことを含む。

サブステップ１０２５は生成されているシグネチャ２００内の最も最近追加されたパルスを除去することを含み、サブステップ１０２２が続く。

サブステップ１０２６は新たなシグネチャ２００として現在のパルスシーケンスで作成されたデータベースを更新すること（すなわち、新たなシグネチャ２００として現在のパルスシーケンスを追加すること）を含み、サブステップ１０２１が続く。サブステップ１０２６の効果は現在のパルスの加算から生じる現在のパルスシーケンスでデータベースを更新することであり、その結果、サブステップ１０２１における次の判定が否定的である場合、サブステップ１０２２における次のパルス位置の探索は、更新されたデータベースにおける現在のパルスシーケンスを使用する。

このような方法で、ステップ１０２０で生成された各シグネチャ２００は、データベース内で固有である。

ステップ１０３０は新しいシグネチャ２００が見つかったかどうかを判定し、もし肯定的であればステップ１０４０に進み、否定的であればステップ１０２０に戻ることを含む。

ステップ１０４０はセンサノードのために十分なシグネチャ２００が見つかったかどうかを判定し、肯定的であればプロセスを終了し、否定的であればステップ１０２０に戻ることを含む。

ステップ１０３０は、ステップ１０２０がシグネチャ生成のための無限ループを繰り返すように変更され、ある期間の後に終了されて、やり直される場合、ステップ１０４０と組み合わされてもよい。方法１０００のステップおよびサブステップのいくつかは、固有のパルスシグネチャ２００が生成され得ることを条件として、修正され、組み合わされ、または省略され得ることが想定される。

図１０のこのアルゴリズムを使用すると、自己相関および相互相関が低減され、一方、センサノード１１２に十分な固有パルスシグネチャ２００を割り当てることができる。シグネチャ２００の数がセンサノード１１２の数以上である場合、パルスシグネチャのファミリは、３つのパラメータΦ（Ｆ，ω，λ）によって特徴付けることができる。
Ｆは、ファミリ内の各パルスシグネチャの持続時間である。
ωは、シグネチャ当たりのパルス数である。
λは、ファミリ内のシグネチャ間の最大許容干渉である。

Ｆとωが決定されると、各シグネチャ内の各個別パルスの時間位置を、λを満たすように決定することができる。λの計算のために、２つのパルスシグネチャｓ及びｓ´を考慮し、どちらもω＝４で、時間｛ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、ｔ_４｝と｛ｔ_１´、ｔ_２´、ｔ_３´、ｔ_４´｝のそれぞれにパルスがある。ｓとｓ’のたたみ込みにより、少なくとも１つの重複パルスが生じ、λ≧１になる。しかしながら、パルスシグネチャは、せいぜい１つの重複パルスを有するように設計することができる。これは図１の実施形態の場合のように、各パルスシグネチャ内の各パルス間隔が固有であることを保証することによって達成することができる。ｓおよびｓ´の場合にはシグネチャごとに_４Ｃ_２（すなわち、６つ）のパルス間隔がある。λ＝１を達成するためには、（ｓおよびｓ´からの）１２個のパルス間隔のすべてが固有でなければならない。

λ＞１の場合に拡張して、時間的パルス特徴Ｐ_λの概念が導入される。例えば、λ＝２の場合、フィーチャＰ_２には２つの要素（Ｐ_１、Ｐ_２）があり、ここでＰ_１、Ｐ_２はパルス間隔の順序付けられたペアである。ｓおよびｓ´の場合、シグネチャ当たりに_４Ｃ_３（すなわち、４つ）のＰ_２フィーチャがある。λ＝２を確保するには、ファミリ内のすべてのＰ_２フィーチャが固有でなければならない。同じアプローチをλ＞２の場合に適用することができる。２つの異なるノードにおけるパルスシグネチャの一例が図６に示されている。ゼロのエラーの理論的確率を有する装置は、ω＞ｎλを保証することによって達成することができ、ここでｎはファミリ内のシグネチャの数である。パルスシグネチャの設計については、以下でさらに詳細に検討する。

図１の例では、各センサ１１３が圧力検出時にその感覚信号１１３ａ内の１つの検出状態を示すだけでよい。従って、各センサノード１１２は、検出の状態を示すために１つの固有パルスシグネチャ２００に対応付けられ、それぞれのフィルタ１３２も対応する固有パルスシグネチャ２００に関連付けられて、必要な相関演算を実行する。その結果、センサ１１３による各圧力検出に伴って、それぞれのセンサ１１３による検出状態を示すために、いずれかの極性の指示パルス４００が生成される。この特定の例では、指示パルスの極性が有用な情報を表さない場合がある。しかしながら、他の実施形態では、極性が関連していてもよい。例えば、同じパルス位置および異なる（例えば、反対の）パルス極性の２つのパルスシグネチャ２００が対応する感覚信号１１３ａにおけるそれぞれの２つの状態を示すために、各センサノード１１２によって使用され得る。それぞれのパルスの極性、すなわち「パルス極性」は、パルスの電位、すなわち正の電圧電位（「Ｖｄｄ」）または負の電圧電位（「Ｖｓｓ」）のいずれかを意味する。並列相関演算の場合、フィルタ１３２の数は、センサノード１１２に割り当てられた固有パルスシグネチャ２００の総数と一致するはずである。

当然のことながら、センサノード１１２は温度センサのような任意の他のタイプのセンサ１１３と関連付けられてもよく、これはそれぞれのセンサノードと一体化されてもよい。さらに、センサノード１１２は複数の種類のセンサ（例えば、圧力センサおよび温度センサ）と関連付けられてもよい。例えば、電子スキン用途において、センサ１１３は、高速適応（ＦＡ）圧力センサ、低速適応（ＳＡ）圧力センサおよび温度センサのアレイを含む。一緒に、これらのセンサ１１３は、生物学的対応物を模倣するように構成され得る。

ＦＡセンサ１１３は導電性ファブリック１１１の動的変形にのみ反応し、静的力に鈍感であるように構成される。各ＦＡセンサ１１３は、その感覚信号１１３ａにおける圧力増加の第１の状態および圧力減少の第２の状態を示すように構成される。すなわち、各ＦＡセンサ１１３について、ＦＡセンサ１１３によって生成される感覚信号１１３ａは、第１及び第２の状態を有する。各ＦＡセンサ１１３の対応するセンサノード１１２は感覚信号１１３ａの第１および第２の状態をそれぞれ示すために、第１および第２の固有のパルスシグネチャ２００に関連付けられる。具体的には対応するＦＡセンサ１１３を認識するように構成されたセンサノード１１２のファームウェアにより、ＦＡ挙動のためのセンサノード１１２内のファームウェアモデルにより、マイクロコントローラ１１６は対応する感覚信号１１３ａの状態に従って、第１および第２の固有パルスシグネチャ２００を生成および送信する。各センサノード１１２は、第１の状態の対応する感覚信号１１３ａを受信すると、関連する第１の固有パルスシグネチャ２００を送信するようにトリガされ、第２の状態の対応する感覚信号１１３ａを受信すると、関連する第２の固有パルスシグネチャ２００を伝送媒体を介して独立して伝送するようにトリガされる。より具体的には、１つの特定の例ではマイクロコントローラ１１６がファームウェアモデルによって、対応する感覚信号１１３ａで検出された５０ｍＶを超える増分ごとに第１の固有のパルスシグネチャ２００を生成し、送信し、対応する感覚信号１１３ａで検出された５０ｍＶを超える減分ごとに第２の固有のパルスシグネチャ２００を生成し、送信するようにされる。このような構成により、各ＦＡセンサ１１３のセンサノード１１２は、感覚信号１１３ａの状態（圧力の増減）を受信機１３０に示すことができる。さらに、上述のように、各センサノード１１２の第１および第２の固有パルスシグネチャ２００は異なる（例えば、反対の）パルス極性を有する可能性がある。すなわち、第１及び第２のパルスシグネチャ２００は同じパルス位置を有する可能性があるが、逆のパルス極性（すなわち、電圧電位）を有する可能性がある。他の実施形態では、第１および第２のシグネチャ２００が例えば、パルス位置、パルス持続時間、パルス間持続時間、パルス極性、パルス数、またはそれらの組み合わせに関して、部分的にまたは完全に異なってもよい。圧力増加と圧力減少とを区別しない生物学的対応物とは対照的に、ＦＡセンサ１１３およびそれぞれのセンサノード１１２の配置は、正確な圧力または力の測定から過渡的な触覚刺激の検出まで、広範囲の時間応答要件を満たすことができる。各センサノード１１２は、他の配置では任意の種類のセンサ１１３と関連付けられてもよく、センサ１１３によって生成される感覚信号１１３ａの状態に数で対応する固有なパルスシグネチャと関連付けられてもよい。

ＳＡセンサ１１３はさらに、静圧に反応し、導電性ファブリック１１１の動的変形に反応しないように構成される。各ＳＡセンサ１１３はその感覚信号１１３ａ内の静圧の現在の値を示すように構成され、対応するセンサノード１１２は現在の値に依存する周波数で、対応するシグネチャ２００を送信する。この実施形態では、シグネチャ送信周波数が感覚信号１１３ａ内の検出静圧の現在値に対して正である。すなわち、検出圧力の現在値が高いほど、２つの対応する連続するシグネチャ送信間の間隔が短くなる。具体的には、ＳＡ挙動のためのファームウェアモデルがマイクロコントローラ１１６に、８点平均ＡＤＣデジタル値に比例する間隔で、それぞれの固有パルスシグネチャ２００の複数のインスタンスを生成させ、送信させる。図１１Ａ、図１１Ｂ、および図１４Ｂでは、間隔が１ｍｓと、１００μｓの積と、変換されたデジタル値（１０進数）との和である。例えば、５００の値を表すために、２つの連続するシグネチャが５１ｍｓ（５００×１００μｓ＋１ｍｓ）の間隔で送信される。１ｍｓのパルスシグネチャ持続時間と共に、１０２３の最大ＡＤＣ値は、２つの連続するシグネチャ間の１０３．３ｍｓ間隔に対応する。各ＳＡセンサ１１３のセンサノード１１２はその感覚信号内の検出された圧力の現在の値を示すために、１つの固有のパルスシグネチャ２００に関連付けられる必要がある。現在の値を示すために、関連するセンサノード１１２は、割り当てられた固有のパルスシグネチャ２００のうちの前のものを送信した後、同じ固有のパルスシグネチャ２００のうちの現在のものを送信して、割り当てられたシグネチャ２００のうちの送信された現在のものと前のものとの間の間隔によって検出された静圧の現在の値を示すように構成される。センサノード１１２が刺激事象に関連して割り当てられたシグネチャ２００を送信していない開始時に、センサノード１１２は、第１の値に対応する間隔で対応するシグネチャ２００の２つのインスタンスを連続的に送信することによって、検出された圧力の第１の値を示すことができる。検出された静圧の任意のその後の値は、上述した方法でセンサノード１１２によって示されてもよい。各センサノード１１２は他の配置では任意のタイプのセンサ１１３に関連付けられてもよく、関連する固有のパルスシグネチャ２００のうちの現在のものと前のものとの間の対応する間隔によって、センサ１１３によって生成された感覚信号１１３ａの現在値を示すように、関連する固有のパルスシグネチャ２００の連続したインスタンスを送信するように構成されてもよい。

各センサノード１１２は図１１Ａおよび図１１Ｂの例ではそれぞれのセンサ１１３を認識し、それに関連付けられるようにファームウェアによって構成されていることに留意する価値がある。すなわち、センサノード１１２は、関連するセンサ１１３（ＳＡまたはＦＡ）のタイプまたは構成に基づいて、動作モードを選択する。ＦＡおよびＳＡセンサ１１２は異なるタイプのセンサであると説明されているが、それらは同じ構成要素（例えば、圧電抵抗素子）を使用して実装されてもよい。このような場合、センサ１１２をＦＡセンサとして機能させるか、ＳＡセンサとして扱うかは、それぞれのセンサノード１１３のファームウェアによって決定することができる。

別の実施形態では、各センサノード１１２がそれぞれのセンサノードの内部状態を示すために、別の関連する固有パルスシグネチャ２００を伝送媒体を介して独立に伝送するように構成される。例えば、センサノード１１２は、報告されるべき各追加の内部状態のための１つ以上の追加の固有のパルスシグネチャに関連付けられてもよい。

図１１Ａは、時間の経過と共にロードセルに関連してＦＡセンサ１１３のうちの１つによって感知される動的力の増加および減少のプロット、および図１１Ｂに示される対応する指示信号４００に基づいて得られる、時間の経過と共にロードセルに対してＳＡセンサ１１３のうちの１つによって感知される静的力のプロットを示す。ＦＡセンサ１１３については、力の増加および力の減少の検出状態が反対のそれぞれの三角形の記号によってマークされる。ＳＡセンサ１１３の場合、検出された静的力の値は、それぞれの正方形の記号によってマークされる。図１１Ａ及び図１１Ｂの例では、ＳＡセンサ１１３が静的な力を正確に検出することができ、それぞれの感覚信号１１３ａにおけるそれぞれの検出値を示すことができる。ＦＡセンサ１１３は動的な力を正確に検出することができ、検出された力の増加および力の減少の状態を、それらの感覚信号１１３ａにおいて示すことができる。これは図１１Ａにおいて実証され、そこではＦＡセンサ１１３が約１ｍｓ持続するランセットからプリックに関連する力変化をうまく検出する。この実施形態におけるＳＡセンサ１１３は、１ｍｓのプリックの持続時間が力の強さの表示のための対応する間隔を十分に下回るので、プリックを検出するのに十分な感度ではない。ＳＡおよびＦＡセンサ１１３の両方は図１１Ａおよび１１Ｂに示されるように、プリックの前に起こる指の押圧を首尾よく検出する。ロードセルの読み取り値は、８点の移動平均フィルタ（ＯｒｉｇｉｎＬａｂ ２０１７）を使用して平滑化される。この文脈で使用される「力」という用語は、「圧力」を含むと解釈され得ることに留意されたい。

図１２Ａおよび１２Ｃは、マイクロピラミッド型ピエゾ抵抗センサを構築するために使用されるエラストマのヤング率を変更することによって開発された不均一なトランスダクションプロファイルを用いて実装された可撓性圧力センサの写真表現を示す。図１２Ｂは、抵抗値対圧力のプロットを示す。これにより、種々の触覚感度のセンサを、同じ基板（すなわち、導電性ファブリック１１１）上に空間的に分布させることができる。このような構造により、センサは、軽いタッチと、飽和することなく、より高い負荷との両方に敏感になるようにすることができる。動圧範囲が広いため、対象物を把持する際の典型的な操作力下での圧力検知を継続的に行うことができる。

図１３Ａは、高温液体のカップに関連する、人間の手の形状のロボットエフェクタ上の圧力および温度センサのアレイの写真表現を示す。図１３Ｂは、図１３Ａの温度センサを使用して得られた抵抗率対温度のプロットを示す。図１３Ｃは、図１３Ａの温度センサのうちの１つの光学顕微鏡像を示す。温度センサは単一の基板（すなわち、導電性ファブリック）上に実装された可撓性抵抗センサである。温度センサは２０℃〜５０℃の主な感度範囲を有するように設計され、これはヒトの皮膚における低温受容体求心性と同様である。関連するセンサノードは検出された温度が２５℃以上に上昇すると、固有のパルスシグネチャを、低下した周波数（すなわち、増加した間隔）で送信する（図１３Ｄ参照）。図１３Ｅは単一の基板（すなわち、導電性ファブリック）上の抵抗圧力センサおよび温度センサの配置例を示す。図１４Ａおよび１４Ｂは、図１３Ａの適用（熱い液体を含むカップを保持する）に関する図を示す。図１４Ａは、温度および圧力センサによって送信されたパルスシグネチャから得られた時間に対する指示信号の図を示す。図１４Ｂは、図１４Ａに示される指示信号に基づく刺激検出の図を示す。これらの図から、ＳＡおよび温度センサによる触覚および熱刺激の同時またはほぼ同時の検出が達成され得ることが分かる。

別の用途では、ＦＡセンサ１１３が例えば、ロボットエフェクタによって使用されて、エフェクタによって保持された物体の滑りを検出することができる。図１５Ａ（部分ｉ）は、エフェクタ上に設けられたＦＡセンサ１１３を用いて、経時的にＦＡセンサ１１３によって検出された触覚刺激の時空間表現またはパターンを示す。スパイキング畳み込みネットワークは、事象駆動方式で滑りの大きさおよび方向を計算するために実装される。物体の滑りが生じ始めると、ＦＡセンサ１１３による刺激検出が動きの計算をトリガして、滑りの開始を推定する。

図１５Ｂを参照すると、動き推定値は滑りの開始時に直ちに計算することができ、物体の下向きの動きを正確に識別することができる。図１５Ｃは、１ｍｓの待ち時間で針の滑りを検出するために同じ実装を使用できることを示す。しかしながら、方向推定は誘導ＦＡセンサ１１２の数が少なく、接触面積が減少するために、より高い偏差を示す。したがって、様々なオブジェクトフォームファクタの巧妙な操作タスクには、より高いセンサ密度が必要とされる。

具体的には図１５Ａ、１５Ｂおよび１５Ｃの実験では直径１ｃｍのアクリルディスクおよび直径０．８ｍｍの針がそれぞれ、ベンチ万力の２つの平坦な対向する表面の間に垂直に保持される。８０個の圧力センサのアレイ（図１４Ａのものと同様であるが、熱センサがない）はＦＡ挙動を模倣するセンサノードの対応するアレイと接続するように配置される。センサーは万力の表面の１つに貼り付けられている。スレッドは、オブジェクトをロードセルに接続する。別個の糸がロードセルの反対側に接続され、物体を万力から滑らせるように引っ張られるようになっている。８０のセンサノードによって生成されたデータは、オシロスコープ（Ｐｉｃｏｓｃｏｐｅ ３４０６Ｄ）を使用して、ロードセルのアナログ出力とともに１２５ＭＨｚでサンプリングされる。スリップ検出の計算は、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）においてオフラインで処理される。

局所運動推定値の計算（図１５Ａのｉｉ部分）は、一般に以下の通りである。
１．ｔ_０で発生した特定のセンサＡからの事象について、ｔ_{ｐｒｉｏｒ}で発生したセンサＡの距離Ｄ内のセンサからの事前事象を調べる。ここでｔ_０−Δｔ＜ｔ_{ｐｒｉｏｒ}＜ｔ_０である。
２．各事前事象について、動きの大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）を計算する。
３．各事前事象の移動方向（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）
ｄ_ｘおよびｄ_ｙは、距離Ｄのｘ成分およびｙ成分である。
４．各事前事象の大きさおよび方向を平均することによって、センサＡの位置における局所移動推定値が得られる。

グローバル移動推定値（図１５Ａのｉｉｉ部分）は、全てのローカル移動推定値に対する移動平均（５ｍｓ時定数の指数カーネル）として得られる。図１５Ｂおよび１５Ｃでは、Δｔ＝５ｍｓおよびＤ＝２ｍｍである。

図１６Ａおよび１６Ｂは、６９個のＦＡセンサのアレイがＭｅｉｓｓｎｅｒ粒子応答を模倣する別の用途を示す。様々な局所曲率は、１００フレーム／秒（ｆｐｓ）の従来のセンサアレイで可能な場合よりも最大１０倍速く（９７％の精度で７ｍｓ以内）分類できることが理解され得る。

図１７Ａ〜１７Ｃの各々は、図１６ＡのＦＡセンサの別の用途における、同一の幾何学的特徴および異なる硬度の２つの物体に対する分類精度の図を示す。図１７Ｄは、同じ硬度の異なる幾何学的特徴の軟質物体に対する分類精度の図を示す。この結果は、迅速な触覚識別における時間的特徴の重要性および有効性を実証する。

図１８Ａおよび１８Ｂは、それぞれ、無傷状態および損傷状態の通信媒体１１０の導電性ファブリック（または導電性基板）１１１を示す。導電性ファブリック１１１内に形成された２つの裂け目（図１８Ｂでは「トーンエッジ」とラベル付けされている）にもかかわらず、導電性ファブリック１１１を通るセンサノード１１２の信号通信は影響を受けないままであることが分かる。受信機１３０とセンサノード１１２の最も遠位の１つとの間の信号伝導経路が示されている（「信号経路が残っている」とマーク付けされている）。また、図１８Ｂにも示されているのは導電性ファブリック１１１の除去された部分（「基板内の穴」とラベル付けされている）である。センサノード１１２のうちの２つ（それぞれの破線の四角形でマーク付けされ、「ノード除去された」とラベル付けされている）は除去された部分に対応して完全に除去される。このように、導電性ファブリック１１１は、受信機１３０とセンサノード１１２の各々との間に複数の信号伝導経路を提供することを、熟練者は理解するのであろう。重要なことに、通信は受信機１３０とそれぞれのセンサノード１１２との間の全ての信号伝導経路が失われた場合にのみ、悪影響を受ける。すなわち、導電性ファブリック１１１の一部分内のセンサノード１１２の通信は、導電性ファブリック１１１の一部分が完全に離れて裂けているか、さもなければ、導電性ファブリック１１１の残りの部分から除去されない限り、影響を受けないままである。ほとんどの場合、導電性ファブリック１１１内の部分的な裂け目は、導電性ファブリック１１１を介したセンサノード１１２の通信に悪影響を及ぼさないであろう。つまり、導電性ファブリック１１１が依然として、それぞれのセンサノード１１２と受信機１３０との間に少なくとも１つの信号伝導経路を提供することができる場合には、センサノード１１２のそれぞれと受信機１３０との間の信号通信は影響を受けないままである。したがって、センサノード１１２の通信は導電性ファブリック１１１の損傷（例えば、物理的損傷）に対して堅牢である。

図１８Ａおよび１８Ｂの例では、導電性ファブリック１１１が導電性ポリマー（例えば、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）から作製される。しかしながら、他の実施形態では、任意の導電性媒体（例えば、導電性編み込みワイヤ、カーボン系ナノ材料、金属ナノワイヤ、金属フィルム、および金属ワイヤ）が導電性ファブリック１１１の代わりに、またはそれと併せて使用されてもよい。この例の導電性ファブリック１１１は、センサノード１１２に電気的に接続される。導電性ファブリック１１１は、導電性媒体の１つの可能な形態にすぎないことを強調しておく。いくつかの他の例示的な形態が、図１９および図２０を参照して以下に記載される。ポリマー構成のおかげで、導電性ファブリック１１１はセンサノード１１２の各々に複数の信号伝導経路を提供し（または提供すると考えることができ）、この実施形態ではセンサノード１１２を支持するための構造支持体としても働く。導電性ファブリック１１１は弾性および可撓性であり、したがって、電子スキン用途に適している。したがって、導電性ファブリック１１１はセンサノード１１２の柔軟な配置を可能にし、信号通信は、導電性ファブリック１１１によって持続される損傷に耐性であるか、または影響を受けない。センサノード１１２は、配置、密度、および分布に関して、様々な設計およびアプリケーション要件を満たすように柔軟に構成することができる。したがって、導電性ファブリック１１１は例えば、不均一な特徴を感知するための人間型ロボットの曲面を覆うか、または提供するのに適している。

図１９Ａは、通信媒体１１０の変形である別の通信媒体１１０´を示す。この通信媒体１１０´は、センサノード１１２に関連するメッシュ／平面導体部分１１１´を含む。この例では、各センサノード１１２がそれぞれの電源（例えば、バッテリ）によって給電される。各センサノード１１２と受信機１３０との間の通信は少なくとも１つの信号経路がその間に存在する限り、影響を受けないままである。加えて、メッシュ／平面導体部分１１１´は、弾性であるように作製される場合、パターン化されたワイヤ（図２０Ａおよび２０Ｂを参照）と比較して、現実化がより容易である。図１８Ａおよび図１８Ｂのポリマー構成と同様に、メッシュ／平面導体部分１１１´は、各センサノード１１２と受信機１３０との間の信号伝導経路における実質的な冗長性を提供する。

図１９Ｂの例におけるセンサノード１１２は例えば、ロボット／義肢本体部分の下層の剛性構造内に組み込まれ得、メッシュ／平面導体部分１１１´に沿ったセンサノード１１２の柔軟な分布を可能にし得る、電磁波のソース１４０（例えば、電力伝送コイル）から電力を無線で収穫する。他の実施形態におけるセンサノード１１２は、同様の方法で電力を収集するように構成されてもよい。加えて、センサノード１１２に無線で電力を供給するために、他の形態の電力ハーベスティング技術（機械的、太陽、化学的、および熱など）も採用され得る。センサノード１１２はまた、収穫された電力を貯蔵するために、それぞれの電力貯蔵手段（例えば、充電式バッテリまたは容量性要素）を備えてもよい。

図２０Ａおよび図２０Ｂはセンサノード１１２がエラストマー材料に埋め込まれた通信媒体１１０´´の基本セットアップの２つの代替実施形態を示す。図２０Ａの実施形態ではセンサノード１１２が共通の電源によって給電される。センサノード１１２および受信機１３０の各々が共通の接続ノードに接続するそれぞれの導体１１１´´（例えば、ワイヤ）によって接続される。このような構成では各センサノード１１２が通信のために単一の導体１１１´´のみを必要とする。図２０Ｂの構成が各センサノード１１２がそれぞれの電源（例えば、バッテリ）と関連している点においてのみ、図２０Ａの構成と異なる。導体１１１´´のこの構成は共通接続ノードのおかげで配線の複雑さを低減するが、損傷に対する信号通信の堅牢性に関して、図１８Ａ〜１９Ｂの構成ほど堅牢ではない。

他の実施形態では、導電性媒体が導電性ファブリック、導電性バルク導体、導電性基板、導電性固体、導電性ゲル、および導電性流体のうちの少なくとも１つを含むことができることを理解されたい。導電性流体の一例は、ガリウム、インジウムおよび錫から作られた液体金属であるガリンスタンである。伸縮性ポリマー中にマイクロ流体チャネルのメッシュを構築し、それをガリンスタンで充填して、高度に可撓性／伸縮性の基材を達成することが可能である。

特定の用途（例えば、電子スキン）における配線の単純性は特に、不均一な表面または曲率に沿って配線されるべき場合に重要である。図２１は、導電性ファブリック（ニットジャージ導電性織物、アダフルイット）上に配置され、それぞれの内部バッテリーによって電力供給される、３つの異なる空間的形成におけるそれぞれの統合ＦＡセンサを有する９つのセンサノードを示す。不規則な構成の各々において、ＦＡセンサはそれぞれの刺激を正確に検出することができ、時空間表現が得られることを可能にし、不均一または不均一な幾何学的形状の環境において使用されるセンサノードの能力を実証する。特に、圧力を加えるために、導電性ロッド３５０が、各配置においてセンサのいくつかに押し付けられる。導電ロッド３５０は電荷帰還経路を提供し、その結果、環境からの電荷は、導電ロッドを操作する人間の手と結合することによって、センサに逆流することができる。同様の効果は、接地された導電性カプセル化材料の使用を通して達成されてもよい。

図２２は左側に、グリッド形成に配置された、それぞれの統合されたセンサを備えた１６個のセンサノードの通信媒体の無傷状態（上部）および損傷状態（下部、３つのカットを示す）を示す。右側には、それぞれ、無傷状態（上部）および損傷状態（下部）における各センサノードによって検出された圧力の対応する表現が示されている。図１８〜図２０に関連して上述したように、導電性ファブリック１１１またはメッシュ／平面導体部分１１１´は冗長な信号経路を提供し、導電性ファブリック１１１またはメッシュ／平面導体部分１１１´が損傷状態にある場合であっても、センサノードの通信が影響を受けないままであることを可能にする。比較すると、従来実施されている行トレースおよび列トレース上に配置された１６個のセンサのアレイの通信能力は、トレースが３つの切断の類似の損傷状態にある場合（図２３Ａおよび２３Ｂを参照）、著しく損なわれる。

センサノード１１２の時間精度は、主に単一の電圧パルスの持続時間によって制限される。より多くのセンサノード１１２がアレイに追加されると、パルスが伝搬する導電体の静電容量も増加する。増加したキャパシタンスはオペアンプ帰還ループ（すなわち、加算回路１２０）の位相マージンの減少をもたらし、出力にリンギングを引き起こす（図２４Ａ）。リンギングは安定性を改善するために帰還容量Ｃ_Ｆ（すなわち、図３のキャパシタ１２３の容量）を増加させることによって減少させることができる。ただし、結果としてパルス幅が増加する（図２４Ｂ）。ＳＰＩＣＥシミュレーション（Ｃａｄｅｎｃｅ（登録商標） Ｓｐｅｃｔｒｅ（登録商標））を使用して、センサノード数の増加に伴ってパルス幅がどのように変化するかを決定する。各センサノード１１２の出力は、方形波を有する電圧源としてモデル化される。波形のエッジは、電圧パルスの波形を得るためにハイパスフィルタ処理される（図２４Ａ）。過渡シミュレーションは、Ｎ＝２００〜１６０００に対して実行される。各Ｎに対して、Ｃ_Ｆの値はオーバーシュートがパルス振幅の４０％に設定された量子化しきい値を超えない場合に、許容可能な低レベルのリンギングを有する最小Ｃ_Ｆを見つけるために掃引される。最後に、結果として得られるパルス幅の逆数として得られるＦ_{ｓａｍｐｌｅ}は、量子化しきい値を超えたままである期間の長さとみなされる。

上述したように、センサノードに関連付けられたシグネチャは、それぞれのフィルタにおいて高い相関確率で独立して（非同期的に）送信されるように設計される。各パルスシグネチャは、特定の時間インスタンスｔ＝｛ｔ_１、ｔ_２・・・ｔ_ｗ｝で間隔を置いて配置されたＷ電圧パルスから成る。受信端では、パルスが時間インスタンスｔ´＝｛ｔ_１´、ｔ_２´・・・ｔ_ｗ´｝で受信される。受信機は、濃度｜Ｔ｜が相関強度を示す共通部分ｔ＝（ｔ∩ｔ´）を見つける。相関強度が所定のしきい値（すなわち、相関しきい値）を超える場合、シグネチャは、それぞれのフィルタによって相関されたと見なされる。

パルスシグネチャの理想的なセットは、最小の自己相関（特定のシグネチャとその時間シフトバージョンとの間の相関）および相互相関（特定のシグネチャとセット内の他のシグネチャとの間の相関）を有するものである。また、アレイ内のすべてのセンサノードを識別するのに十分な固有のシグネチャ（濃度）がセット内に存在しなければならない。上述したように、パルスシグネチャのファミリは、同じ３つのパラメータによって特徴付けることができる。
Ｆ ＝ シグネチャの持続時間内に収まるパルスの最大数
ω＝重みまたはシグネチャ当たりのパルス数
λ＝２つのシグネチャ間の最大許容干渉（自己相関および相互相関）

シグネチャ持続時間（Ｔｓ）が１ｍｓ、パルス持続時間（Ｔｐ）が１００ ｎｓのパルスシグネチャの場合、
パラメータωおよびλは、受信機のエラー性能に密接に関連する。理想的な条件下では、ターゲットシグネチャの全てのω電圧パルスはうまく相関されるべきであり、従ってωは最大相関である。λは、同じファミリーのシグネチャ間で許容される最大相互相関である。Ｎ個の非ターゲットシグネチャがターゲットシグネチャと重なり合う場合、干渉量はＮ×λと高くなる可能性があり、従って、Ｎ×λがωよりはるかに大きい場合、誤り性能は劣化する。

固有のパルスシグネチャの数は、センサノードのものと一致する必要がある。数千のセンサノードを収容するために、パルスシグネチャは、シグネチャの数（Ｃ）が次の条件を満たすようにλ＝２を有するように構成されてもよい。
したがって、Ｆ ＝ １００００およびω＝１０ではアレイが１３８，８４７までのセンサノードを収容することができ、これはほとんどの場合、全身ロボットセンサスキンに十分であるはずである。上述のように、パルスシグネチャは電気的であり、正または負のいずれかであり得（すなわち、正または負のパルスを有する）、これは、各シグネチャがいくつかの変形をとることを可能にする。例えば、同じパルス位置および反対のパルス極性の２つのシグネチャは、それぞれバイナリ「１」およびバイナリ「０」を示すための、単一のシグネチャの２つの状態または変形であると考えることができる。このような考察により、単一のシグネチャがシグネチャの２つの状態または変形を使用して、圧力の増加および減少を示すために、ＦＡセンサによって使用され得る。これは、信号の発生と伝送のために複雑な光デバイスを必要とする光ファイバ通信で使用される光符号分割多元接続では不可能である。

本開示のいくつかの利点を以下に説明する。
刺激事象の刺激はまばらであったり、密であったりする。刺激事象（例えば、視覚、聴覚、味覚、触覚、におい等）の正確な時空間表現を達成するために、感覚信号が生成され、高い時間分解能で送信されなければならない。装置１００は、このようなタスクによく適している。第１に、それぞれのセンサ１１３によって生成された感覚信号は、それぞれのセンサノード１１２によって、それぞれの固有パルスシグネチャ２００の形態で、導電性ファブリック１１１を介して送信される。このプロセスは、デジタル化のための複雑な回路を必要としない。さらに、センサノード１１２は、同期または衝突検知のいかなる実装も必要としない。また、共通の信号グランドは必要ない。センサノード１１２は、最小の通信オーバヘッドで、任意のインスタンスでそれぞれの固有パルスシグネチャ２００を独立して送信することができる。コントローラによって読み取り値が周期的にポーリングされる従来のフレームベースのセンサとは対照的に、各センサノード１１２はそれぞれのセンサ１１３によって刺激が検出された場合にのみ、それぞれのシグネチャ２００を送信する。

受信機１３０によって達成可能な時間分解能は主に、エッジ検出回路の応答時間によって制限され、この応答時間は実施形態に応じて、数ナノ秒未満であってよく、任意の既存のセンサアレイ（例えば、触覚センサアレイ）のサンプリング周期を十分に超えることができる。装置１００は、マイクロ秒間隔で送信されたシグネチャ２００を分解することができる。また、受信機１３０はそのエッジ検出回路が入力信号内のエッジを検出した場合にのみ、その構成要素の一部（例えば、フィルタ１３２）を起動するように構成することができる。この構成は特に刺激事象の刺激がまばらである場合に、受信機１３０の電力消費を大幅に低減する。

更に、導電性ファブリック１１１又はメッシュ／平面導体部分１１１´を介した信号通信は、裂け目のような損傷に対して非常に堅牢である。そのように、センサノード１１２は、配線の複雑さを増すことなく、導電性ファブリック１１１またはメッシュ／平面導体部分１１１´に対して柔軟に配置されてもよい。このような構成は、各センサノード１１２のための冗長性信号伝導経路を提供すると考えることができる。したがって、センサノード１１２の密度および分布は、様々なアプリケーション要件に応じて柔軟に変化させることができる。

通信媒体１１０がそれぞれが固有のパルスシグネチャ２００に関連付けられた数千のセンサノード１１２を含むように実装されている場合、装置１００は、センサノード１１２がそれぞれのパルスシグネチャ２００を互いに１ミリ秒以内で送信しても、約０．０１（１％）のビット誤り率（ＢＥＲ）を達成することができる。刺激がまばらである場合、さらに低いＢＥＲを達成することができる。装置１００は、潜在的に何百万ものセンサノード１１２まで、高いスケーラビリティを達成することができる。

さらに、電圧パルスは低周波干渉（例えば、ＡＣ電源ノイズの発生源からの）の影響を受けにくい。それらは、高価な高分解能ＡＤＣを必要とせずに検出することもできる。電圧パルスは、ＣＤＭＡのチップと比較して、はるかに短い持続時間を有する。これは、比較的高い拡散率を有することと同等であり、ＣＤＭＡで可能な容量よりも著しく高い容量を達成する。

パルスはバイポーラであり、したがって、シグネチャ２００は非同期に送信することができる。反対に、光ＣＤＭＡパルスは単極性であり、従って、追加の同期信号／プロトコルを使用しないと復号化できない。また、Ｏｐｔｉｃａｌ ＣＤＭＡでは、信号伝導経路上ではダメージに強い光ファイバーを使用しており、専用の電気光学部品が必要となる。

装置１００は高いスケーラビリティを達成することができ、超高速体性感覚用途のために実施することができる。また、センサから受信機への刺激のほぼ一定の超高精度時空パターンを維持でき、数万のセンサまでサポートできる。導電性ファブリックは最小の配線複雑性を必要とし、センサノード配置において高い程度の柔軟性を提供でき、センサノードのための堅牢な信号伝導経路を提供できる。

上記の利点により、装置１００は、次世代人工知能（ＡＩ）駆動ロボット、およびロボットが急速に変化する複雑な環境で展開され得る病院およびホームケアなどの産業における自律システムにおいて特に有用である。また、迅速な触覚環境フィードバックを必要とする着用可能な補助エキソスケルトンスーツのような、ヒューマンマシンインターフェースを含む多くの他の用途にも有用である。

本開示のいくつかの代替的な構成を以下に説明する。
代替実施形態ではセンサノードのうちの１つのユニークなパルスシグネチャが第１のシグネチャ持続時間を有し、別のセンサノードの固有のパルスシグネチャは第１のシグネチャ持続時間とは異なる第２のシグネチャ持続時間を有する。すなわち、固有のパルスシグネチャは、異なる数のパルスを有することができる。固有のパルスシグネチャは、異なるシグネチャ持続時間を有することができる。固有のパルスシグネチャは、異なるパルス持続時間を有することができる。シグネチャが固有である限り、任意の適切な構成を採用することができる。

他の実施形態では、センサノード１１２が特殊化されたアナログまたはデジタル回路の任意の適切な形態で実現することができる。
通信媒体１１０は例えば、車両または人間の少なくとも一部を覆うように適合されてもよい。

刺激事象は、電磁波に関連する光学事象、温度、圧力、または刺激であってもよい。刺激事象は、化学的刺激、臭気刺激、音声刺激、振動刺激に関連し得る。刺激事象は様々な刺激タイプの組合せとすることができ、フリクション、スリップ、濡れ、硬さなどの２次（処理済み）信号を含むことができる。実際、トリガ事象は、非刺激関連であってもよい。また、当業者であれば、各センサノードは、センサノードが関連するセンサの感覚信号の検出の可能な各状態についてのシグネチャに関連付けられていれば、任意の種類のセンサに関連付けることができることを理解するのであろう。

受信機１３０は受信機１３０のセンサノード１１２の近くに配置されてもよく、センサノード１１２に遠隔に配置されてもよく、伝送媒体は無線伝送に適した任意の媒体を介してもよい。

センサ１１３は、異なる感度の触覚／圧力センサを含んでもよい。それらはまた、生体模倣触覚受容器、シリコンエレクトロニクスベースのものを含む光学センサ等、音響センサ、圧電センサ、および神経形態的特徴を有しても有しなくてもよい他のセンサ等の、異なるタイプのセンサを含んでもよい。電磁場、湿度、表面組織、振動、加速度、光学的、温度、化学的、せん断、近接／光などの検出のためのセンサも含まれ得る。

伝導媒体は、伝送媒体がセンサノード１１２によって伝送された特徴を伝導可能であるという条件で、導電性ファブリック、導電性バルク導体、導電性基板、導電性固体、導電性ゲル、および導電性流体のうちの少なくとも１つを含んでもよい。導電性流体（例えば、導電性液体）または導電性ゲルは例えば、マイクロ流体デバイスのマイクロチャネル内に充填されてもよい。

各センサノード１１２はそれぞれのセンサノード１１２の状態（例えば、動作、デバッグ、バッテリレベル、エラー、デバッグ、およびモダリティ）を示すために、追加のシグネチャに関連付けられてもよい。

本発明の範囲から逸脱しない様々な他の変形および修正は、本明細書の開示から当業者には明らかであろう。以下の特許請求の範囲は、本明細書に記載される特定の実施形態、ならびにそのような変形形態、修正形態、および均等物を包含することが意図される。

Claims (51)

1. それぞれの固有パルスシグネチャに関連付けられ、それぞれの刺激に応答して感覚信号を生成するように構成された各センサと通信するように構成された複数のセンサノードを含み、各センサノードは対応する前記感覚信号の受信時にトリガされ、関連する前記固有パルスシグネチャを前記センサノードによって共有される伝送媒体を通じて独立かつ非同期に送信し、前記センサノードによって送信される前記固有パルスシグネチャは、対応する前記センサによって検出される刺激に関連する刺激事象の表現である、センサベースの通信装置。
2. 前記センサノードのそれぞれの前記固有パルスシグネチャの各パルス間隔は、固有の持続時間を有する、請求項１に記載のセンサベースの通信装置。
3. 前記固有パルスシグネチャは、８個または１０個のパルスを有する、請求項１または２に記載のセンサベースの通信装置。
4. 前記センサノードのうちの１つの前記固有パルスシグネチャは第１の数のパルスを有し、前記センサノードのうちの別のセンサノードの前記固有パルスシグネチャは、前記第１の数とは異なる第２の数のパルスを有する、請求項１または２に記載のセンサベース通信装置。
5. 前記固有パルスシグネチャは、１ｍｓ（ミリ秒）のシグネチャ持続時間を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
6. 前記センサノードのうちの１つの前記固有パルスシグネチャが第１のシグネチャ持続時間を有し、前記センサノードのうちの別のセンサノードの前記固有パルスシグネチャが、前記第１のシグネチャ持続時間とは異なる第２のシグネチャ持続時間を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサベース通信装置。
7. 前記固有パルスシグネチャは、６０ｎｓ（ナノ秒）のパルス持続時間を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
8. 前記センサノードのうちの１つの前記固有パルスシグネチャは第１のパルス持続時間を有し、前記センサノードのうちの別のセンサノードの前記固有パルスシグネチャは、前記第１のパルス持続時間とは異なる第２のパルス持続時間を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサベース通信装置。
9. 前記センサをさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載のセンサベース通信装置。
10. 前記センサは、異なる感度の触覚センサを含む、請求項９に記載のセンサベースの通信装置。
11. 前記センサは、電磁センサ、湿度センサ、表面テクスチャセンサ、振動センサ、加速度センサ、光学センサ、および／または温度センサを含む、請求項９または１０に記載のセンサベースの通信装置。
12. 各センサノードは対応する前記感覚信号内の現在値を受信すると、トリガされて、関連する前記固有パルスシグネチャのうちの現在の１つと、関連する前記固有パルスシグネチャのうちの以前の１つとの間のインターバルによって、前記現在値を示すために、関連する前記固有パルスシグネチャのうちの現在の１つを送信する、請求項１から１１のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
13. 前記センサノードは、ロボット、人間、および車両のうちの１つと関連するように構成される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
14. 前記センサノードは、外部エネルギー源から電力を得る、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
15. 送信された前記固有パルスシグネチャに関連する入力信号を前記伝送媒体を介して受信し、各センサノードの関連する前記固有パルスシグネチャを前記入力信号に関連する中間信号と相関させ、前記刺激事象の表現のための相関結果に基づいて前記センサノードのトリガのそれぞれの時刻を示す指示信号を提供するように構成された受信機をさらに含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
16. 前記受信機は、前記受信機による前記入力信号内のエッジの検出時にそれぞれ活性化され、前記中間信号を前記固有パルスシグネチャの対応する１つと相関させる複数のフィルタを含む、請求項１５に記載のセンサベースの通信装置。
17. 前記伝送媒体は導電性媒体を含み、前記センサノードは、前記導電性媒体に沿って分配され、前記導電性媒体を介して互いに電気的に結合される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
18. 前記センサノードは、前記導電性媒体の表面上に配置される、請求項１７に記載のセンサベースの通信装置。
19. 前記センサノードは、前記導電性媒体に埋め込まれる、請求項１７または１８に記載のセンサベースの通信装置。
20. 前記導電性媒体は、ポリマーから作られる請求項１７〜１９のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
21. 前記導電性媒体は弾性であり、かつ、可撓性である請求項１７〜２０のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
22. 前記導電性媒体は、メッシュまたは平面の形態である請求項１７〜２１のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
23. 前記導電媒体は、導電性ファブリック、導電性バルク導体、導電性基板、導電性固体、導電性ゲル、および導電性流体のうちの少なくとも１つを含む、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
24. 各センサノードは、さらなる固有パルスシグネチャに関連付けられる、請求項１〜２３のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
25. 各センサノードは、第１の状態で対応する前記感覚信号を受信すると、関連する前記固有パルスシグネチャを送信するようにトリガされ、第２の状態で対応する前記感覚信号を受信すると、関連するさらなる前記固有パルスシグネチャを前記伝送媒体を介して独立して伝送するようにトリガされる、請求項２４に記載のセンサベースの通信装置。
    
26. 各センサノードは前記各センサノードの内部状態を示すために、関連するさらなる前記固有パルスシグネチャを前記伝送媒体を介して独立に伝送するように構成される、請求項２４に記載のセンサベースの通信装置。
27. 各センサノードの前記固有パルスシグネチャが異なるパルス極性を有する、請求項２４〜２６のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
28. 前記刺激事象の前記表現は、時空間表現である請求項１から２７のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
29. 請求項１〜２８のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置を備えるロボット。
30. それぞれの刺激に応答して、対応するセンサによって生成された感覚信号を受信し、
    前記感覚信号を受信すると、複数のセンサノードのそれぞれ１つをトリガして、前記センサノードによって共有される伝送媒体を介して、関連する固有パルスシグネチャを独立して非同期に送信し、前記センサノードによって送信される前記固有パルスシグネチャは、対応する前記センサによって検出された刺激に関連する刺激事象の表現である、センサベースの通信方法。
31. 前記センサノードのそれぞれの前記固有パルスシグネチャのそれぞれのパルス間隔は、固有の持続時間を有する、請求項３０に記載のセンサベースの通信方法。
32. 前記固有パルスシグネチャは、８個または１０個のパルスを有する、請求項３０または３１に記載のセンサベースの通信方法。
33. 前記センサノードのうちの１つの前記固有パルスシグネチャは第１の数のパルスを有し、前記センサノードのうちの別のセンサノードの前記固有パルスシグネチャは、前記第１の数とは異なる第２の数のパルスを有する、請求項３０または３１に記載のセンサベースの通信方法。
34. 前記固有パルスシグネチャは、１ｍｓ（ミリ秒）のシグネチャ持続時間を有する、請求項３０〜３３のいずれか１項に記載のセンサベースの通信方法。
35. 前記センサノードのうちの１つの前記固有パルスシグネチャが第１のシグネチャ持続時間を有し、前記センサノードのうちの別のセンサノードの前記固有パルスシグネチャが、前記第１のシグネチャ持続時間とは異なる第２のシグネチャ持続時間を有する、請求項３０乃至３３のいずれか一項に記載のセンサベースの通信方法。
36. 前記固有のパルスシグネチャは、６０ｎｓ（ナノ秒）のパルス持続時間を有する、請求項３０から３５のいずれか一項に記載のセンサベースの通信方法。
37. 前記センサノードのうちの１つの前記固有パルスシグネチャは第１パルス持続時間を有し、前記センサノードのうちの別のセンサノードの前記固有パルスシグネチャは、前記第１パルス持続時間とは異なる第２パルス持続時間を有する、請求項３０乃至３５のいずれか一項に記載のセンサベース通信方法。
38. 各センサノードは対応する前記感覚信号内の現在値を受信すると、トリガされて、関連する前記固有パルスシグネチャのうちの現在の１つと、関連する前記固有パルスシグネチャのうちの以前の１つとの間のインターバルによって、前記現在値を示すために、関連する前記固有パルスシグネチャのうちの現在の１つを送信する、請求項３０乃至３７のいずれか一項に記載のセンサベースの通信方法。
39. 前記伝送媒体を通して、伝送された前記固有パルスシグネチャに関する入力信号を受信し、
    各センサノードの関連する前記固有パルスシグネチャを、前記入力信号に関連する中間信号と相関させ、
    前記刺激事象の表現のための相関の結果に基づいて、前記センサノードのトリガのそれぞれの時間を示すことをさらに含む、請求項３０〜３８のいずれか一項に記載のセンサベースの通信方法。
40. 各センサノードは、さらなる固有パルスシグネチャに関連付けられる、請求項３０〜３９のいずれか一項に記載のセンサベースの通信方法。
41. 第１の状態における前記感覚信号を受信すると、それぞれの前記センサノードをトリガして、関連する前記固有パルスシグネチャを送信し、
    第２の状態における前記感覚信号を受信すると、それぞれの前記センサノードをトリガして、関連するさらなる前記固有パルスシグネチャを前記伝送媒体を介して独立して送信することをさらに含む、４０に記載のセンサベースの通信方法。
42. それぞれの前記センサノードの内部状態を示すために、各センサノードをトリガして、関連するさらなる前記固有パルスシグネチャを、前記伝送媒体を介して独立に送信することをさらに含む、４０に記載のセンサベースの通信方法。
43. 各センサノードの前記固有パルスシグネチャが異なるパルス極性を有する、請求項４０〜４３のいずれか一項に記載のセンサベースの通信方法。
44. 前記刺激事象の前記表現は、時空間表現である、請求項３０〜４３のいずれか一項に記載のセンサベースの通信装置。
45. 導電性媒体と、
    前記導電性媒体に沿って分散され、前記導電性媒体を介して互いに電気的に結合された複数のセンサノードと、を含む通信媒体。
46. 前記センサノードは、前記導電性媒体の表面上に配置される、請求項４５に記載の通信媒体。
47. 前記センサノードは、前記導電性媒体に埋め込まれる、請求項４５または４６に記載の通信媒体。
48. 前記導電性媒体は、ポリマーから作られる、請求項４５〜４７のいずれか一項に記載の通信媒体。
49. 前記導電性媒体は、弾性および可撓性である、請求項４５〜４８のいずれか一項に記載の通信媒体。
50. 前記導電性媒体は、メッシュまたは平面の形態である、請求項４５〜４９のいずれか一項に記載の通信媒体。
51. 前記導電性媒体が、導電性ファブリック、導電性バルク導体、導電性基板、導電性固体、導電性ゲル、および導電性流体のうちの少なくとも１つを含む、請求項４５〜４７のいずれか一項に記載の通信媒体。