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A hypersensitive neuromorphic airflow sensor inspired by vision-compensatory scorpion mechanoreceptors for respiratory pattern analysis

神经形态工程学 计算机科学 气流 人工智能 无人机 感知 模式识别(心理学) 神经科学 人工神经网络 计算机视觉 深度学习 灵敏度(控制系统) 分割 仿生学 生物系统
作者
Pei Wang,Yuechun Ding,Bo Li,Changchao Zhang,Xiancun Meng,Guangjun Chen,You Chen,Ruijuan Du,Qingsong Fan,Junqiu Zhang,Shichao Niu,Zhiwu Han,Luquan Ren
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (34): e2617376123-e2617376123
标识
DOI:10.1073/pnas.2617376123
摘要

Efficient acquisition of spatial airflow information is vital for organisms to orient within complex environments and detect predators. For scorpions with degraded vision, specialized mechanosensory trichobothria provide a crucial vision-compensatory mechanism, enabling hypersensitive perception of subtle airflow fluctuations. Inspired by this evolutionary adaptation, we present a biomimetic neuromorphic airflow sensor (BNAS) integrating a bioinspired lever-amplification structure with a pressure-induced ionic enrichment mechanism. This synergistic design inherits the hypersensitive anemosensation and neural response features of scorpion. The BNAS demonstrates a superior sensitivity of 18.22% (m/s) −1 at low velocities and maintains high performance across a broad dynamic range (0.1 to 10.27 m/s), along with omnidirectional detection capability. The integration of this neuromorphic hardware with AlexNet deep-learning algorithm enables the efficient extraction of human respiratory patterns, achieving 95.56% accuracy in identifying individual “breathing fingerprints.” Our work underscores the potential of bioinspired neuromorphic systems to bridge the gap between biological perception and artificial sensing, establishing a neuromorphic front-end design paradigm that advances next-generation brain-inspired computing.

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