人造感覺神經:以類似於生物神經的方式發揮作用,實現「機器觸覺...

2020-12-01 電子發燒友

人造感覺神經：以類似於生物神經的方式發揮作用，實現「機器觸覺」的一大進步

工程師青青 發表於 2018-06-29 07:17:00

一直以來，人類都在努力將自身具備的全部感官「複製」到機器人身上，但是，對於機器而言，能實現一項感官就已經很不容易了。因此，迄今為止，機器仍然缺乏一些極其關鍵的能力，其中就包括人類精密而完善的觸覺。

圖 人造感覺神經系統

相對於聽覺、視覺而言，人類天生的觸覺更加複雜，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網絡傳送：神經信號通過局部神經簇傳到脊髓並最終傳到大腦。只有當信號足夠強時，信息才能在傳輸過程中成功連接起來。

圖 史丹福大學鮑哲南教授

最近，史丹福大學鮑哲南教授、首爾大學 Tae-Woo Lee 教授、南開大學徐文濤教授團隊宣布聯合研發出一種人造感覺神經（也可稱為人造傳入神經），能夠以類似於生物神經的方式發揮作用，感知觸摸過程並與其他神經溝通。論文發表在近日的《Science》上。

論文地址

根據論文，這種人造感覺神經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動，甚至能識別盲文。此外，團隊設法將人造神經與生物體連接起來：把人造神經元的一個電極插入蟑螂腿的神經元後，來自人造神經元的信號能引起蟑螂腿部肌肉的收縮。

可以預想，這種人造觸覺神經在機器人手術、義肢感觸等領域都將有很好的應用前景，這對「機器觸覺」的實現也算是一項重大進展。

三大核心組件

生物傳入神經系統的觸覺產生機制是：壓力作用於生物體的機械型刺激感受器，引起其感受電位的改變，而這種改變會觸發神經元動作電位的產生。多個神經元動作電位通過神經元之間形成的突觸匯合，最終實現信息處理。

而此次的人造傳入神經系統則參考了生物的傳入神經系統，由三大核心組件構成：觸覺感受器、人造神經元和突觸電晶體。

圖 「金字塔結構」電阻式壓力傳感器，「金字塔結構」電阻式壓力傳感器的靈敏度和工作範圍與生物皮膚機械感受器的靈敏度和工作範圍相當

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元的環形振蕩器上；一系列傳感器負責感知壓力信號，並由此產生相應的電壓變化；之後，環形振蕩器會將電壓變化轉變成電脈衝；最後，突觸電晶體將電脈衝輸出，從而形成完整的反射弧。

圖 柔性材料環形振蕩器

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

圖 人造突觸電晶體

「對於傳感器來講，在這項工作中我們嘗試了模擬 SA-I 觸覺神經（一種邊緣、質地相關觸覺感知的重要傳入神經）。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，因此在工業化的過程中，需要更加複雜的壓力傳感集成。柔性電路部分相對複雜，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。其性能調控要求對材料的選擇和器件的結構等方面都有較多經驗、需要很多的嘗試，其大規模集成等也是非常具有挑戰性的課題。」

三管齊下：感受方向、傳遞信息、識別盲文

2015 年，《Science》曾經刊出過鮑哲南團隊的一項人造皮膚成果。當時，團隊製造的人造皮膚已經可以響應壓力變化，並向神經細胞發送信號，因此更接近人皮膚觸覺的真實機制。

而這一次的人造感覺系統能夠幫助人造皮膚實現更接近生物體的觸覺，正如上文所提，該感覺系統已經能夠感受方向、傳遞信息和識別盲文。

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