人造感覺神經(jīng)：以類似于生物神經(jīng)的方式發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)“機(jī)器觸覺”的一大進(jìn)步

一直以來，人類都在努力將自身具備的全部感官“復(fù)制”到機(jī)器人身上，但是，對于機(jī)器而言，能實(shí)現(xiàn)一項感官就已經(jīng)很不容易了。因此，迄今為止，機(jī)器仍然缺乏一些極其關(guān)鍵的能力，其中就包括人類精密而完善的觸覺。

圖 人造感覺神經(jīng)系統(tǒng)

相對于聽覺、視覺而言，人類天生的觸覺更加復(fù)雜，觸覺感官的模擬十分困難，這種感官“集成”了上千種感受器來追蹤不同類型的壓力（比如柔軟而有力的觸摸），以及感受溫度和位置變化的能力。這些龐大的信息需要通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送：神經(jīng)信號通過局部神經(jīng)簇傳到脊髓并最終傳到大腦。只有當(dāng)信號足夠強(qiáng)時，信息才能在傳輸過程中成功連接起來。

圖 斯坦福大學(xué)鮑哲南教授

最近，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授、首爾大學(xué) Tae-Woo Lee 教授、南開大學(xué)徐文濤教授團(tuán)隊宣布聯(lián)合研發(fā)出一種人造感覺神經(jīng)（也可稱為人造傳入神經(jīng)），能夠以類似于生物神經(jīng)的方式發(fā)揮作用，感知觸摸過程并與其他神經(jīng)溝通。論文發(fā)表在近日的《Science》上。

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根據(jù)論文，這種人造感覺神經(jīng)具有良好的生物兼容性、柔性和高靈敏度，可以探測不同方向的運(yùn)動，甚至能識別盲文。此外，團(tuán)隊設(shè)法將人造神經(jīng)與生物體連接起來：把人造神經(jīng)元的一個電極插入蟑螂腿的神經(jīng)元后，來自人造神經(jīng)元的信號能引起蟑螂腿部肌肉的收縮。

可以預(yù)想，這種人造觸覺神經(jīng)在機(jī)器人手術(shù)、義肢感觸等領(lǐng)域都將有很好的應(yīng)用前景，這對“機(jī)器觸覺”的實(shí)現(xiàn)也算是一項重大進(jìn)展。

生物傳入神經(jīng)系統(tǒng)的觸覺產(chǎn)生機(jī)制是：壓力作用于生物體的機(jī)械型刺激感受器，引起其感受電位的改變，而這種改變會觸發(fā)神經(jīng)元動作電位的產(chǎn)生。多個神經(jīng)元動作電位通過神經(jīng)元之間形成的突觸匯合，最終實(shí)現(xiàn)信息處理。

而此次的人造傳入神經(jīng)系統(tǒng)則參考了生物的傳入神經(jīng)系統(tǒng)，由三大核心組件構(gòu)成：觸覺感受器、人造神經(jīng)元和突觸晶體管。

圖 “金字塔結(jié)構(gòu)”電阻式壓力傳感器，“金字塔結(jié)構(gòu)”電阻式壓力傳感器的靈敏度和工作范圍與生物皮膚機(jī)械感受器的靈敏度和工作范圍相當(dāng)

其中，觸覺感受器由一組壓力傳感器組成，連接到一個作為人造神經(jīng)元的環(huán)形振蕩器上；一系列傳感器負(fù)責(zé)感知壓力信號，并由此產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化；之后，環(huán)形振蕩器會將電壓變化轉(zhuǎn)變成電脈沖；最后，突觸晶體管將電脈沖輸出，從而形成完整的反射弧。

圖 柔性材料環(huán)形振蕩器

針對該人造感覺神經(jīng)，文章的通訊作者之一、南開大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所教授徐文濤介紹道，這個系統(tǒng)還處于初步階段，從實(shí)驗室到工業(yè)化的過程中仍存在很多挑戰(zhàn)，在三個組成部分中都會有所涉及。

圖 人造突觸晶體管

“對于傳感器來講，在這項工作中我們嘗試了模擬 SA-I 觸覺神經(jīng)（一種邊緣、質(zhì)地相關(guān)觸覺感知的重要傳入神經(jīng)）。人體皮膚通過多種傳感器的集成來感受不同程度的外界刺激，因此在工業(yè)化的過程中，需要更加復(fù)雜的壓力傳感集成。柔性電路部分相對復(fù)雜，需要較好的工藝過程控制，”他說，“突觸器件則具有很大的挑戰(zhàn)。其性能調(diào)控要求對材料的選擇和器件的結(jié)構(gòu)等方面都有較多經(jīng)驗、需要很多的嘗試，其大規(guī)模集成等也是非常具有挑戰(zhàn)性的課題。”

2015 年，《Science》曾經(jīng)刊出過鮑哲南團(tuán)隊的一項人造皮膚成果。當(dāng)時，團(tuán)隊制造的人造皮膚已經(jīng)可以響應(yīng)壓力變化，并向神經(jīng)細(xì)胞發(fā)送信號，因此更接近人皮膚觸覺的真實(shí)機(jī)制。

而這一次的人造感覺系統(tǒng)能夠幫助人造皮膚實(shí)現(xiàn)更接近生物體的觸覺，正如上文所提，該感覺系統(tǒng)已經(jīng)能夠感受方向、傳遞信息和識別盲文。