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(xiàn)一項感官就已經(jīng)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(jīng)系統(tǒng)

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(jīng)網(wǎng)絡傳送：神經(jīng)信號通過局部神經(jīng)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(lián)合研發(fā)出一種人造感覺神經(jīng)（也可稱為人造傳入神經(jīng)），能夠以類似于生物神經(jīng)的方式發(fā)揮作用，感知觸摸過程并與其他神經(jīng)溝通。論文發(fā)表在近日的《Science》上。

論文地址

根據(jù)論文，這種人造感覺神經(jīng)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(jīng)與生物體連接起來：把人造神經(jīng)元的一個電極插入蟑螂腿的神經(jīng)元后，來自人造神經(jīng)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(jīng)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(xiàn)也算是一項重大進展。

三大核心組件

生物傳入神經(jīng)系統(tǒng)的觸覺產(chǎn)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(fā)神經(jīng)元動作電位的產(chǎn)生。多個神經(jīng)元動作電位通過神經(jīng)元之間形成的突觸匯合，最終實現(xiàn)信息處理。

而此次的人造傳入神經(jīng)系統(tǒng)則參考了生物的傳入神經(jīng)系統(tǒng)，由三大核心組件構成：觸覺感受器、人造神經(jīng)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(jīng)元的環(huán)形振蕩器上；一系列傳感器負責感知壓力信號，并由此產(chǎn)生相應的電壓變化；之后，環(huán)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(huán)形振蕩器

針對該人造感覺神經(jīng)，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(tǒng)還處于初步階段，從實驗室到工業(yè)化的過程中仍存在很多挑戰(zhàn)，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(jīng)（一種邊緣、質地相關觸覺感知的重要傳入神經(jīng)）。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(yè)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(zhàn)。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(jīng)驗、需要很多的嘗試，其大規(guī)模集成等也是非常具有挑戰(zhàn)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(jīng)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(jīng)可以響應壓力變化，并向神經(jīng)細胞發(fā)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(tǒng)能夠幫助人造皮膚實現(xiàn)更接近生物體的觸覺，正如上文所提，該感覺系統(tǒng)已經(jīng)能夠感受方向、傳遞信息和識別盲文。