人工神經(jīng)系統(tǒng)使假肢裝置和機(jī)器人具有觸覺(jué)

斯坦福大學(xué)(Stanford)和首爾國(guó)立大學(xué)(Seoul National University)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種人工感覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)，可以激活蟑螂的抽搐反射，并識(shí)別盲文字母表中的字母。

這項(xiàng)工作發(fā)表在5月31日的《科學(xué)》(Science)雜志上，它向?yàn)榧僦圃烊嗽炱つw、恢復(fù)截肢者的感覺(jué)邁出了一步，或許有一天會(huì)讓機(jī)器人具備某種反射能力。

“我們認(rèn)為皮膚是理所當(dāng)然的，但它是一個(gè)復(fù)雜的傳感、信號(hào)和決策系統(tǒng)，”化學(xué)工程教授、資深作者之一鮑哲南說(shuō)?！斑@種人造感覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)是朝著制造適用于各種應(yīng)用的類(lèi)皮膚感覺(jué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)邁出的一步?！?/p>

構(gòu)建塊

這一里程碑式的研究是鮑教授探索的一部分，目的是模擬皮膚如何伸展、自我修復(fù)，最引人注目的是，它就像一個(gè)智能感知網(wǎng)絡(luò)，不僅知道如何將愉悅的感覺(jué)傳遞給大腦，還知道何時(shí)命令肌肉做出反應(yīng)，以迅速做出決定。

《科學(xué)》雜志的這篇新論文描述了研究人員如何構(gòu)建了一個(gè)人造感覺(jué)神經(jīng)回路，該回路可以嵌入未來(lái)類(lèi)似皮膚的覆蓋物中，用于神經(jīng)修復(fù)裝置和軟性機(jī)器人。這個(gè)基本的人工神經(jīng)電路集成了前面描述的三個(gè)組件。

第一個(gè)是觸摸傳感器，它可以探測(cè)到微小的力。這個(gè)傳感器通過(guò)第二個(gè)元件——一個(gè)靈活的電子神經(jīng)元來(lái)發(fā)送信號(hào)。觸摸傳感器和電子神經(jīng)元是之前鮑實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的發(fā)明的改進(jìn)版。

來(lái)自這些元件的感覺(jué)信號(hào)刺激第三個(gè)元件，一個(gè)模仿人類(lèi)突觸的人造突觸晶體管。突觸晶體管是首爾國(guó)立大學(xué)的李泰宇(Tae-Woo Lee)的創(chuàng)意，他利用自己的休假年在鮑的斯坦福實(shí)驗(yàn)室發(fā)起了這項(xiàng)合作工作。

“生物突觸可以傳遞信號(hào)，也可以?xún)?chǔ)存信息來(lái)做出簡(jiǎn)單的決定，”這篇論文的第二作者Lee說(shuō)。突觸晶體管在人造神經(jīng)電路中執(zhí)行這些功能。

李以膝關(guān)節(jié)反射為例，說(shuō)明更先進(jìn)的人工神經(jīng)回路有朝一日可能成為人造皮膚的一部分，為假肢裝置或機(jī)器人提供感官和反射功能。

在人類(lèi)，當(dāng)一個(gè)突然的敲擊導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)肌肉拉伸時(shí)，這些肌肉中的某些傳感器會(huì)通過(guò)一個(gè)神經(jīng)元發(fā)送一個(gè)脈沖。神經(jīng)元依次向相關(guān)突觸發(fā)送一系列信號(hào)。突觸網(wǎng)絡(luò)識(shí)別出突然拉伸的模式，并同時(shí)發(fā)出兩種信號(hào)，一種使膝關(guān)節(jié)肌肉反射性收縮，另一種不那么緊急的信號(hào)在大腦中記錄下這種感覺(jué)。

使它工作

這項(xiàng)新工作要達(dá)到那種復(fù)雜程度還有很長(zhǎng)的路要走。但在《科學(xué)》雜志的論文中，研究小組描述了電子神經(jīng)元是如何將信號(hào)傳遞給突觸晶體管的。突觸晶體管的設(shè)計(jì)方式是，根據(jù)低功率信號(hào)的強(qiáng)度和頻率，學(xué)習(xí)識(shí)別感官輸入并做出反應(yīng)，就像生物突觸一樣。

小組成員測(cè)試了該系統(tǒng)產(chǎn)生反射和觸覺(jué)的能力。

在一項(xiàng)測(cè)試中，他們將人造神經(jīng)連接到一只蟑螂腿上，并對(duì)觸摸傳感器施加微小的壓力。電子神經(jīng)元將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)突觸晶體管傳遞，當(dāng)觸摸傳感器上的壓力增加或減少時(shí)，腿就會(huì)或多或少地劇烈顫動(dòng)。

他們還發(fā)現(xiàn)人造神經(jīng)可以感知各種觸覺(jué)。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，人造神經(jīng)能夠區(qū)分盲文字母。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們將一個(gè)圓柱體朝不同的方向滾過(guò)傳感器，并準(zhǔn)確地探測(cè)出運(yùn)動(dòng)的方向。

鮑的研究生金永仁和亞歷克斯·喬托斯，以及來(lái)自李自己實(shí)驗(yàn)室的研究員徐文濤，也參與了將這些成分整合到功能性人工感覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的工作。

研究人員表示，人工神經(jīng)技術(shù)仍處于起步階段。例如，為假體設(shè)備制造人造皮膚覆蓋物將需要新的設(shè)備來(lái)探測(cè)熱量和其他感覺(jué)，將它們嵌入柔性電路的能力，以及將所有這些都連接到大腦的方法。

該組織還希望創(chuàng)造出低功耗的人工傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)覆蓋機(jī)器人，其理念是通過(guò)提供一些與人類(lèi)皮膚相同的反饋，使機(jī)器人更加靈活。

進(jìn)一步探索