人造神經 「解鎖」更多真實感覺

電影《機器管家》里的機器人管家安德魯在科學家幫助下，安裝了感覺模塊，一改往日高冷做派，變得會吃醋，會喊疼，並有了人類的各種「感覺」……如今，電影里的科幻場景正一點一滴地走近現實。

近日，頂尖學術期刊《科學》刊登了一篇突破性研究：斯坦福大學鮑哲南教授、首爾大學李泰宇（音譯）教授、南開大學徐文濤教授團隊聯合，研發出首條柔性人造感覺神經，並成功用它實現了對人體觸覺的模擬。這一全新的人造神經系統如何製造？未來能給我們帶來哪些改變？承擔此次研究部分核心工作的南開大學電子信息與光學工程學院教授徐文濤接受了科技日報記者採訪。

三大核心部件形成完整反射弧

徐文濤稱，這項研究向類人假肢、人造皮膚等器官仿生製造邁出堅實一步，未來，機器人將變得「溫情脈脈」，像真人一樣能解鎖更多的「感覺」。

人類一直都在為實現將人體感官「複製」到機器人身上的夢想而不停追逐。但迄今為止，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。

「要想讓機器人也具有人體皮膚的能力，最核心的問題和難點在於如何設計並實現與生物神經系統工作原理相似，還能夠與生物神經信號很好兼容的人造系統，而且這套系統還得具有很好的柔韌性。」徐文濤告訴記者，正是基於上述設想，中美韓聯合研究團隊才利用柔性有機材料模擬了人體SA-I觸覺神經。

記者了解到，科學家此次製造的人造神經系統正是借鑒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。其中，觸覺感受器由一組壓力感測器組成，連接到一個作為人造神經元的環形振蕩器上；一系列感測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換成電脈衝；最後，突觸晶體管將電脈衝輸出，從而形成了完整的反射弧。

能感受方向、傳遞信息並「閱讀」盲文

早在三年前，合作團隊中的美方研究人員就成功製造出了一款人造皮膚。「那款人造皮膚可以響應壓力變化，並向神經細胞發送信號。」徐文濤介紹說，「這一次的人造感覺系統更進了一步，已經能夠感受方向、傳遞信息和識別盲文。可以更好地幫助人造皮膚實現更接近生物體的觸覺能力。」

記者了解到，在識別盲文的試驗中，科學家們用一定像素的盲文字元作用於對應的6個壓力感測器，並利用對應的環形振蕩器實現信號的轉換，最後通過多個突觸晶體管獲得突觸後電流的波形，以實現對盲文字元的識別。根據盲文字元所產生的接觸壓力不同，其對應的突觸後電流的峰值頻率差異，從而實現了盲文字元的「閱讀」。

更讓聯合團隊欣喜的是，他們將人造感覺神經與蟑螂腿的運動神經連接，組合成生物—電子混合反射弧，藉助電流的變化，成功實現了蟑螂腿的彈跳反射運動。「實驗結果表明，這種人造神經不僅可以模擬人類皮膚的觸覺功能，還能與生物體神經信號很好地兼容。」徐文濤回憶起當時情景。

具有靈活性及柔韌性等優勢

值得一提的是，這次使用的人造突觸晶體管，並不是傳統硅基突觸。「和傳統硅基突觸相比，這裡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。」徐文濤介紹說，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。

這也意味著，這一人造神經更加適合於舒適性人體假肢感覺的重現和可穿戴電子的應用。未來可以集成更多人造神經系統，接收各種不同的感覺信息，為假肢穿戴者提供更多幫助，讓他們更好地控制假肢；也有望構建靈活的人工神經系統，如用於製造生物敏感的軟機器人，它可以接收來自外部環境的信息，以仿生方式處理信息，並像動物或人類一樣移動，從而在極端複雜環境下替代人工。

「目前，人造感覺神經還不能感知更加複雜的機械信息以及溫度等。」徐文濤表示，這正是他們下一階段的工作方向和重點。

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