人工神經(jīng)系統(tǒng)使假肢裝置和機器人具有觸覺

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

這項工作發(fā)表在5月31日的《科學(xué)》(Science)雜志上，它向為假肢制造人造皮膚、恢復(fù)截肢者的感覺邁出了一步，或許有一天會讓機器人具備某種反射能力。

“我們認為皮膚是理所當(dāng)然的，但它是一個復(fù)雜的傳感、信號和決策系統(tǒng)，”化學(xué)工程教授、資深作者之一鮑哲南說。“這種人造感覺神經(jīng)系統(tǒng)是朝著制造適用于各種應(yīng)用的類皮膚感覺神經(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，它就像一個智能感知網(wǎng)絡(luò)，不僅知道如何將愉悅的感覺傳遞給大腦，還知道何時命令肌肉做出反應(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)建了一個人造感覺神經(jīng)回路，該回路可以嵌入未來類似皮膚的覆蓋物中，用于神經(jīng)修復(fù)裝置和軟性機器人。這個基本的人工神經(jīng)電路集成了前面描述的三個組件。

第一個是觸摸傳感器，它可以探測到微小的力。這個傳感器通過第二個元件——一個靈活的電子神經(jīng)元來發(fā)送信號。觸摸傳感器和電子神經(jīng)元是之前鮑實驗室報道的發(fā)明的改進版。

來自這些元件的感覺信號刺激第三個元件，一個模仿人類突觸的人造突觸晶體管。突觸晶體管是首爾國立大學(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驗室發(fā)起了這項合作工作。

“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，”這篇論文的第二作者Lee說。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，說明更先進的人工神經(jīng)回路有朝一日可能成為人造皮膚的一部分，為假肢裝置或機器人提供感官和反射功能。

在人類，當(dāng)一個突然的敲擊導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)肌肉拉伸時，這些肌肉中的某些傳感器會通過一個神經(jīng)元發(fā)送一個脈沖。神經(jīng)元依次向相關(guān)突觸發(fā)送一系列信號。突觸網(wǎng)絡(luò)識別出突然拉伸的模式，并同時發(fā)出兩種信號，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在大腦中記錄下這種感覺。

使它工作

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

小組成員測試了該系統(tǒng)產(chǎn)生反射和觸覺的能力。

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

他們還發(fā)現(xiàn)人造神經(jīng)可以感知各種觸覺。在一個實驗中，人造神經(jīng)能夠區(qū)分盲文字母。在另一個實驗中，他們將一個圓柱體朝不同的方向滾過傳感器，并準(zhǔn)確地探測出運動的方向。

鮑的研究生金永仁和亞歷克斯·喬托斯，以及來自李自己實驗室的研究員徐文濤，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)備來探測熱量和其他感覺，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)來覆蓋機器人，其理念是通過提供一些與人類皮膚相同的反饋，使機器人更加靈活。

進一步探索