如果能讓機(jī)器人擁有觸覺，可以感知溫度、壓力，甚至具有神經(jīng)活動(dòng)，那么它們將“解鎖”更多新技能。日前，世界上首條柔性人造觸覺神經(jīng)的問世，讓這一設(shè)想距離現(xiàn)實(shí)更近了一步。
6月1日，斯坦福大學(xué)鮑哲楠、首爾大學(xué)Tae-Woo Lee、南開大學(xué)徐文濤團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在Science雜志發(fā)文，報(bào)道了一種基于柔性有機(jī)電子器件的高靈敏度仿生觸覺神經(jīng)系統(tǒng)。這種人工神經(jīng)觸覺系統(tǒng)具有良好的生物兼容性、柔性和高靈敏度，在機(jī)器人手術(shù)、義肢感觸等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
人類皮膚是極為復(fù)雜的系統(tǒng)，其中有成千上萬個(gè)感受器用于感知壓力、溫度、位置等信息。這些信息被轉(zhuǎn)化成神經(jīng)信號(hào)，在外圍神經(jīng)和中樞神經(jīng)中逐級(jí)傳送。如果人類的身體用電腦的方式處理這些信息，將是一個(gè)極其復(fù)雜且耗能的過程。
“人體神經(jīng)系統(tǒng)用極為高效的機(jī)制來處理現(xiàn)實(shí)世界所遇到的問題。”南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院教授徐文濤說，外界刺激通過感知機(jī)械力的受體、局部的神經(jīng)簇逐層傳遞到下一級(jí)神經(jīng)、脊髓以及大腦。只有信號(hào)積累到一定的強(qiáng)度，才會(huì)傳遞到下一個(gè)環(huán)節(jié)，“這樣一來，就省卻了許多不必要的信號(hào)處理過程，大大提高了效率?！?/p>
徐文濤及其合作者要解決的核心問題和關(guān)鍵難點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)與生物神經(jīng)系統(tǒng)工作原理相似、并能夠與生物神經(jīng)信號(hào)兼容的人造系統(tǒng)，這套系統(tǒng)要具有很好的柔韌性。
基于上述設(shè)想，中美韓聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用柔性有機(jī)材料模擬了人體SA-I觸覺神經(jīng)。這種人造感知神經(jīng)由3個(gè)核心部件組成：電阻式壓力傳感器、有機(jī)環(huán)形振蕩器、突觸晶體管。
該系統(tǒng)首先利用一系列感受器感知極為細(xì)微的壓力，并產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化，隨后通過環(huán)形振蕩器（人工神經(jīng)纖維）將電壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)。多個(gè)環(huán)形振蕩器得到的電信號(hào)被突觸晶體管集成轉(zhuǎn)變?yōu)橥挥|電流，進(jìn)而傳遞到下一級(jí)神經(jīng)。
“從功能上講，這種人造神經(jīng)能夠很好地模擬人類皮膚的觸覺功能，并能夠與生物體神經(jīng)信號(hào)兼容。我們的初步試驗(yàn)利用其與蟑螂腿的連接以及運(yùn)動(dòng)的控制，初步證實(shí)了這種兼容性。”徐文濤說，這項(xiàng)工作開創(chuàng)性地制造出了柔性人造感知神經(jīng)，并實(shí)現(xiàn)了人造神經(jīng)與動(dòng)物神經(jīng)形成的雜化反射弧。
據(jù)介紹，這種人造感知神經(jīng)還具有重要的應(yīng)用意義。由于這種感知神經(jīng)與生物體神經(jīng)的兼容性，它可應(yīng)用于假肢中與人體神經(jīng)系統(tǒng)相兼容的感知的實(shí)現(xiàn)，柔性輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)將使相關(guān)產(chǎn)品具有很好的舒適性，而且對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療具有潛在意義。同時(shí)，這種人造神經(jīng)如果應(yīng)用于軟體機(jī)器人，可使其實(shí)現(xiàn)類似人類的感知，并在極端的工作環(huán)境中替代人。
研究團(tuán)隊(duì)表示，盡管這項(xiàng)研究前景可期，但目前還只是邁出了第一步，還有很多工作要做。他們將繼續(xù)致力于傳感器和人造神經(jīng)突觸等基本單元的功能開發(fā)，以及人造感知系統(tǒng)的完善。
“比如，目前這款人工神經(jīng)系統(tǒng)還較為初步，尚不能像皮膚那樣感知更加復(fù)雜的信息以及溫度等，這些將是我們未來的工作方向。”徐文濤說，這項(xiàng)研究有望開發(fā)出更智能的人造皮膚，“希望通過進(jìn)一步強(qiáng)化和拓展功能，盡早地投入應(yīng)用，造福人類?！?/p>
