新智元編譯

來源：Stanford、sciencemag

編輯：克雷格

【新智元導讀】斯坦福大學和國立首爾大學的研究人員開發了一種人工感覺神經系統，可以激活蟑螂的抽搐反射，也能識別盲文字母中的字母。它為假肢製造人造皮膚邁出了第一步，或許有一天會給機器人某種反射能力。

「我們認為有皮膚是理所當然的，但實際上它是一個複雜的感測、信號和決策系統。」斯坦福大學化學工程教授兼主要作者（senior author）之一Zhenan Bao（鮑哲楠）說，「這種人工感覺神經系統是向各種各樣的應用創造類似皮膚感覺神經網路邁出的一步。」

這項研究報告於5月31日發表在《科學》雜誌上，它成為假肢製造人造皮膚的一個步驟，它可以讓截肢者恢復知覺，也許有一天會帶給機器人某種反射能力。

構建人工感覺神經迴路，有朝一日會成為人造皮膚的一部分

鮑哲楠在研究中試圖模仿皮膚如何伸展、自我修復，最引人注目的是，它就像一個智能的感覺網路一樣，不僅知道如何將愉快的感覺傳遞給大腦，而且還可以命令肌肉做出反射性的反應，做出迅速的決定。

這篇新的科學論文描述了研究人員如何構建一種人工感覺神經迴路，這種神經迴路可以嵌入到未來神經假肢設備和軟機器人的皮膚上。這個基本的人工神經電路集成了前面描述的三個組件（感測、信號、決策）。

第一個是觸覺感測器，可以檢測到微小的力量。這個感測器通過第二個元件——一個靈活的電子神經元——發送信號。觸覺感測器和電子神經元是鮑哲楠實驗室先前被報道的發明的改進版。

人工傳入神經系統與生物神經系統的比較

(A)受壓力刺激的生物傳入神經。施加在機械感受器上的壓力會改變每個機械感受器的感受器電位（receptor potentials）。感受器電位合併並啟動在血脈的動作電位。神經纖維與脊髓內的神經元之間形成突觸。多個神經纖維的動作電位通過突觸結合在一起，有助於信息處理。

(B)由壓力感測器、有機環形振蕩器和突觸晶體管組成的人工傳入神經。為了簡單起見，這裡只顯示了一個連接到突觸晶體管的環形振蕩器。然而，多個帶壓力感測器的環形振蕩器可以連接到一個突觸晶體管。(A)和(B)中顏色相同的部分相互對應。

(C)人工傳入神經系統的照片。

來自這些組件的感覺信號刺激第三個組件，一個模擬人類突觸的人工突觸晶體管。這個突觸晶體管是國立首爾大學的李泰宇(Tae-Woo Lee)發明的，他在鮑哲楠的斯坦福實驗室(Stanford lab)度過了他休假年，並開始了這項合作工作。

「生物突觸可以傳遞信號，也可以儲存信息來做出簡單的決定，」Lee是論文的第二主要作者（second senior author），他說，「突觸晶體管在人工神經迴路中執行這些功能。」

Lee用膝關節反射作為一個例子，來解釋更高級的人工神經迴路如何有朝一日會成為人造皮膚的一部分，從而為假肢裝置或機器人提供感官和反射。

對人類而言，當突然敲擊導致膝蓋肌肉伸展時，這些肌肉中的某些感測器會通過神經元發出脈衝。神經元依次向相關的突觸發送一系列信號。突觸網路識別突然伸展的模式，同時發出兩個信號，一個導致膝部肌肉反射性收縮，另一個不那麼緊迫的信號在大腦中記錄這種感覺。

人工神經可以探測到各種觸覺，並讓蟑螂的腿抽搐

新工作在達到這種複雜性之前還有很長的路要走。但在科學論文中，研究小組描述了電子神經元如何向突觸晶體管發送信號，這種信號是通過基於低功率信號的強度和頻率識別並響應感測輸入而設計的，就像生物突觸一樣。

小組成員測試了系統產生反射和觸覺的能力。

在一項測試中，他們將人工神經連接到蟑螂的腿上，並對他們的觸覺感測器施加微小的壓力增量。電子神經元將感測器信號轉換為數字信號，並通過突觸晶體管將其傳遞出去，當觸覺感測器上的壓力增加或減少時，蟑螂的腿就隨著壓力或多或少地劇烈地抽搐。（視頻中有演示）

他們還展示了人工神經可以探測到各種觸覺。在另一個實驗中，人工神經能夠區分盲文字母。此外，他們在感測器上以不同的方向滾動一個圓柱體，並精確地檢測到運動方向。

研究人員表示，人工神經技術仍處於起步階段。例如，為假肢設備製造人造皮膚將需要新的設備來檢測熱量和其他感覺，也需要嵌入柔性電路的能力，並找到與大腦相連的方法。

研究團隊還希望開發一種低功耗的人工感測器網路來覆蓋到機器人身上，其想法是通過提供一些從人類皮膚上獲得的反饋來使它們更加靈活。

文章來源：

https://news.stanford.edu/2018/05/31/artificial-nerve-system-gives-prosthetic-devices-robots-sense-touch/

論文地址：

http://science.sciencemag.org/content/360/6392/998.full

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