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人造神经 “解锁”更多真实感觉

2018-07-17 10:11 来源:科技日报

  电影《机器管家》里的机器人管家安德鲁在科学家帮助下,安装了感觉模块,一改往日高冷做派,变得会吃醋,会喊疼,并有了人类的各种“感觉”……如今,电影里的科幻场景正一点一滴地走近现实。

  近日,顶尖学术期刊《科学》刊登了一篇突破性研究:斯坦福大学鲍哲南教授、首尔大学李泰宇(音译)教授、南开大学徐文涛教授团队联合,研发出首条柔性人造感觉神经,并成功用它实现了对人体触觉的模拟。这一全新的人造神经系统如何制造?未来能给我们带来哪些改变?承担此次研究部分核心工作的南开大学电子信息与光学工程学院教授徐文涛接受了科技日报记者采访。

  三大核心部件形成完整反射弧

  徐文涛称,这项研究向类人假肢、人造皮肤等器官仿生制造迈出坚实一步,未来,机器人将变得“温情脉脉”,像真人一样能解锁更多的“感觉”。

  人类一直都在为实现将人体感官“复制”到机器人身上的梦想而不停追逐。但迄今为止,机器仍然缺乏一些极其关键的能力,其中就包括人类精密而完善的触觉。

  “要想让机器人也具有人体皮肤的能力,最核心的问题和难点在于如何设计并实现与生物神经系统工作原理相似,还能够与生物神经信号很好兼容的人造系统,而且这套系统还得具有很好的柔韧性。”徐文涛告诉记者,正是基于上述设想,中美韩联合研究团队才利用柔性有机材料模拟了人体SA-I触觉神经。

  记者了解到,科学家此次制造的人造神经系统正是借鉴了生物的传入神经系统,由三大核心组件构成:触觉感受器、人造神经元和突触晶体管。其中,触觉感受器由一组压力传感器组成,连接到一个作为人造神经元的环形振荡器上;一系列传感器负责感知压力信号,并由此产生相应的电压变化;之后,环形振荡器会将电压变化转换成电脉冲;最后,突触晶体管将电脉冲输出,从而形成了完整的反射弧。

  能感受方向、传递信息并“阅读”盲文

  早在三年前,合作团队中的美方研究人员就成功制造出了一款人造皮肤。“那款人造皮肤可以响应压力变化,并向神经细胞发送信号。”徐文涛介绍说,“这一次的人造感觉系统更进了一步,已经能够感受方向、传递信息和识别盲文。可以更好地帮助人造皮肤实现更接近生物体的触觉能力。”

  记者了解到,在识别盲文的试验中,科学家们用一定像素的盲文字符作用于对应的6个压力传感器,并利用对应的环形振荡器实现信号的转换,最后通过多个突触晶体管获得突触后电流的波形,以实现对盲文字符的识别。根据盲文字符所产生的接触压力不同,其对应的突触后电流的峰值频率差异,从而实现了盲文字符的“阅读”。

  更让联合团队欣喜的是,他们将人造感觉神经与蟑螂腿的运动神经连接,组合成生物—电子混合反射弧,借助电流的变化,成功实现了蟑螂腿的弹跳反射运动。“实验结果表明,这种人造神经不仅可以模拟人类皮肤的触觉功能,还能与生物体神经信号很好地兼容。”徐文涛回忆起当时情景。

  具有灵活性及柔韧性等优势

  值得一提的是,这次使用的人造突触晶体管,并不是传统硅基突触。“和传统硅基突触相比,这里用到的人造突触晶体管具有结构简单、功能调控的灵活性以及柔韧性等优势。”徐文涛介绍说,在功能上,人造突触晶体管可以很容易地通过材料的选择以及其内部微结构的控制调节其性能,灵活多变。

  这也意味着,这一人造神经更加适合于舒适性人体假肢感觉的重现和可穿戴电子的应用。未来可以集成更多人造神经系统,接收各种不同的感觉信息,为假肢穿戴者提供更多帮助,让他们更好地控制假肢;也有望构建灵活的人工神经系统,如用于制造生物敏感的软机器人,它可以接收来自外部环境的信息,以仿生方式处理信息,并像动物或人类一样移动,从而在极端复杂环境下替代人工。

  “目前,人造感觉神经还不能感知更加复杂的机械信息以及温度等。”徐文涛表示,这正是他们下一阶段的工作方向和重点。

(责任编辑:王蔚)

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