[摘要]斯坦福大學、首爾大學、南開大學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），能夠以類似于生物神經的方式發揮作用，感知觸摸過程并與其他神經溝通。
一直以來，人類都在努力將自身具備的全部感官“復制”到機器人身上，但是，對于機器而言，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
相對于聽覺、視覺而言，人類天生的觸覺更加復雜，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并最終傳到大腦。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 斯坦福大學鮑哲南教授
最近，斯坦福大學鮑哲南教授、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），能夠以類似于生物神經的方式發揮作用，感知觸摸過程并與其他神經溝通。論文發表在近日的《Science》上。
論文地址：http://science.sciencemag.org/content/360/6392/998
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后，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：壓力作用于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、人造神經元和突觸晶體管。
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范圍與生物皮膚機械感受器的靈敏度和工作范圍相當
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，并由此產生相應的電壓變化；之后，環形振蕩器會將電壓變化轉變成電脈沖；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，這個系統還處于初步階段，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（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，需要更加復雜的壓力傳感集成。柔性電路部分相對復雜，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?！?/p>
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，團隊制造的人造皮膚已經可以響應壓力變化，并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。
圖 | 人造傳入神經系統識別物體運動方向，一個桿狀物體以不同的移動方向（紅色和藍色箭頭）通過兩個壓力傳感器分支，突觸晶體管的突觸后電流會輸出對應于移動方向的不同波形，從而識別出物體的運動方向在識別盲文的試驗中，研究人員以 3X2 像素的盲文字符作用于對應的 6 個壓力傳感器，并利用 6 個對應的環形振蕩器實現信號的轉換，最后通過多個突觸晶體管獲得突觸后電流的波形以實現對盲文字符的識別。
根據突觸后電流的峰值頻率的特征，就能對應于盲文字符的每個像素（如圖 B）。例如（如圖 C），盲文字符的每個像素所產生的接觸壓力不同，其對應的突觸后電流的峰值頻率也會產生對應的差異，從而實現盲文字符的“閱讀”。
圖 人造傳入神經系統用于盲文閱讀
但是，光有靈敏的壓力感覺還不能打造出我們真正需要的人造感覺神經，它還必須能夠實現生物體神經信號的兼容。因此，研究人員將這種神經連接到蟑螂腿上實現運動的控制，則初步證實了這種兼容性。
研究者將制作的人造感覺神經與蟑螂腿的生物運動神經連接，組合成生物-電子混合反射弧，實現了蟑螂腿的彈跳反射運動。團隊把人造神經元的一個電極插入蟑螂腿的神經元，來自人造感覺神經的突觸后電流經過特定放大器后連接至一條蟑螂腿，當人造感覺神經接收到壓力的輸入時，產生的放大信號會引起腿部脛骨伸肌的興奮，蟑螂腿的彈跳反射就被激活了。
圖 人造傳入神經與生物傳出神經接口形成的生物-電子混合反射弧
“對于 SA-I 類觸覺神經的模擬，我們已經將其響應速度控制在與生物體系非常接近的范圍。而對于我們的系統來說，可以實現更大的靈活性，其響應速度是完全可以超越生物體系的。”徐文濤教授介紹說。
他也提到，從功耗的角度上來說，這種人造感覺神經仍然有非常大的提升空間。比如，其中人造突觸晶體管的部分，團隊一直在致力于將其能耗進一步降低。目前，納米線結構的人造突觸晶體管能耗已經被降至與生物突觸類似的程度。
柔性材料發揮重要作用
值得一提的是，本次成果使用的人造突觸晶體管并不是傳統的硅基突觸?！昂蛡鹘y硅基突觸相比，這里用到的人造突觸晶體管具有結構簡單、功能調控的靈活性以及柔韌性等優勢。”徐文濤教授說道。
據徐文濤教授介紹，結構上，傳統硅基材料利用多個晶體管等器件組成的電路也可以實現突觸的類似功能，但是，實現一個突觸的功能需要多個器件，從集成尺度和能耗等方面，與人造突觸晶體管相比均不具有優勢，人造突觸晶體管單一器件可以模擬突觸的功能。
而在功能上，人造突觸晶體管可以很容易地通過材料的選擇以及其內部微結構的控制調節其性能，靈活多變。
另外，柔性有機材料的應用使得人造突觸晶體管能具有很好的柔韌性，以及輕質等特點。這將更加適合于舒適性人體假肢感覺的重現和可穿戴電子的應用等。
美國康奈爾大學的有機電子學專家 Robert Shepherd 則表示“這是一個非常好的進展”。他還表示，柔性有機材料用于制備人造神經、與柔軟的人體組織結合表現非常理想，而且它們的制備成本相對便宜。
這也就意味著，未來科學家可以集成更多人造神經系統，接收各種不同的感覺信息。這樣的神經系統有望為未來的假肢穿戴者提供更多感覺信息，幫助他們更好地控制假肢；也有望賦予未來機器人更強的能力，使得它們能夠與千變萬化的環境交互，而這對執行復雜任務是非常重要的，比如照顧老年人。
徐文濤及其團隊也表示，目前這款人造感覺神經還處在初步階段，尚不能像皮膚那樣感知更加復雜的機械信息以及溫度等，這些將是他們未來的工作方向。這款發明讓他們有望開發出更智能的人造皮膚，希望通過進一步強化和功能拓展，盡早將其投入應用，造福人類。
