一直以來，人類都在努力將自身具備的全部感官“復(fù)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(guān)鍵的能力，其中就包括人類精密而完善的觸覺。

　　相對于聽覺、視覺而言，人類天生的觸覺更加復(fù)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(luò)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(dāng)信號足夠強時，信息才能在傳輸過程中成功連接起來。

　　最近，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授、首爾大學(xué) Tae-Woo Lee 教授、南開大學(xué)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。

　　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(shè)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(yù)想，這種人造觸覺神經(jīng)在機器人手術(shù)、義肢感觸等領(lǐng)域都將有很好的應(yīng)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(gòu)成：觸覺感受器、人造神經(jīng)元和突觸晶體管。

　　“金字塔結(jié)構(gòu)”電阻式壓力傳感器，“金字塔結(jié)構(gòu)”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(dāng)

　　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(zé)感知壓力信號，并由此產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化;之后，環(huán)形振蕩器會將電壓變化轉(zhuǎn)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。

　　針對該人造感覺神經(jīng)，文章的通訊作者之一、南開大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)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。

　　“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(zhì)地相關(guān)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(fù)雜的壓力傳感集成。柔性電路部分相對復(fù)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(diào)控要求對材料的選擇和器件的結(jié)構(gòu)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。”

　　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(dāng)時，團隊制造的人造皮膚已經(jīng)可以響應(yīng)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。

　　人造傳入神經(jīng)系統(tǒng)識別物體運動方向，一個桿狀物體以不同的移動方向(紅色和藍色箭頭)通過兩個壓力傳感器分支，突觸晶體管的突觸后電流會輸出對應(yīng)于移動方向的不同波形，從而識別出物體的運動方向

　　在識別盲文的試驗中，研究人員以 3X2 像素的盲文字符作用于對應(yīng)的 6 個壓力傳感器，并利用 6 個對應(yīng)的環(huán)形振蕩器實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，最后通過多個突觸晶體管獲得突觸后電流的波形以實現(xiàn)對盲文字符的識別。

　　根據(jù)突觸后電流的峰值頻率的特征，就能對應(yīng)于盲文字符的每個像素(如圖 B)。例如(如圖 C)，盲文字符的每個像素所產(chǎn)生的接觸壓力不同，其對應(yīng)的突觸后電流的峰值頻率也會產(chǎn)生對應(yīng)的差異，從而實現(xiàn)盲文字符的“閱讀”。

　　但是，光有靈敏的壓力感覺還不能打造出我們真正需要的人造感覺神經(jīng)，它還必須能夠?qū)崿F(xiàn)生物體神經(jīng)信號的兼容。因此，研究人員將這種神經(jīng)連接到蟑螂腿上實現(xiàn)運動的控制，則初步證實了這種兼容性。

　　研究者將制作的人造感覺神經(jīng)與蟑螂腿的生物運動神經(jīng)連接，組合成生物-電子混合反射弧，實現(xiàn)了蟑螂腿的彈跳反射運動。團隊把人造神經(jīng)元的一個電極插入蟑螂腿的神經(jīng)元，來自人造感覺神經(jīng)的突觸后電流經(jīng)過特定放大器后連接至一條蟑螂腿，當(dāng)人造感覺神經(jīng)接收到壓力的輸入時，產(chǎn)生的放大信號會引起腿部脛骨伸肌的興奮，蟑螂腿的彈跳反射就被激活了。

　　“對于 SA-I 類觸覺神經(jīng)的模擬，我們已經(jīng)將其響應(yīng)速度控制在與生物體系非常接近的范圍。而對于我們的系統(tǒng)來說，可以實現(xiàn)更大的靈活性，其響應(yīng)速度是完全可以超越生物體系的。”徐文濤教授介紹說。

　　他也提到，從功耗的角度上來說，這種人造感覺神經(jīng)仍然有非常大的提升空間。比如，其中人造突觸晶體管的部分，團隊一直在致力于將其能耗進一步降低。目前，納米線結(jié)構(gòu)的人造突觸晶體管能耗已經(jīng)被降至與生物突觸類似的程度。

　　柔性材料發(fā)揮重要作用

　　值得一提的是，本次成果使用的人造突觸晶體管并不是傳統(tǒng)的硅基突觸。“和傳統(tǒng)硅基突觸相比，這里用到的人造突觸晶體管具有結(jié)構(gòu)簡單、功能調(diào)控的靈活性以及柔韌性等優(yōu)勢。”徐文濤教授說道。

　　據(jù)徐文濤教授介紹，結(jié)構(gòu)上，傳統(tǒng)硅基材料利用多個晶體管等器件組成的電路也可以實現(xiàn)突觸的類似功能，但是，實現(xiàn)一個突觸的功能需要多個器件，從集成尺度和能耗等方面，與人造突觸晶體管相比均不具有優(yōu)勢，人造突觸晶體管單一器件可以模擬突觸的功能。

　　而在功能上，人造突觸晶體管可以很容易地通過材料的選擇以及其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的控制調(diào)節(jié)其性能，靈活多變。

　　另外，柔性有機材料的應(yīng)用使得人造突觸晶體管能具有很好的柔韌性，以及輕質(zhì)等特點。這將更加適合于舒適性人體假肢感覺的重現(xiàn)和可穿戴電子的應(yīng)用等。

　　美國康奈爾大學(xué)的有機電子學(xué)專家 Robert Shepherd 則表示“這是一個非常好的進展”。他還表示，柔性有機材料用于制備人造神經(jīng)、與柔軟的人體組織結(jié)合表現(xiàn)非常理想，而且它們的制備成本相對便宜。

　　這也就意味著，未來科學(xué)家可以集成更多人造神經(jīng)系統(tǒng)，接收各種不同的感覺信息。這樣的神經(jīng)系統(tǒng)有望為未來的假肢穿戴者提供更多感覺信息，幫助他們更好地控制假肢;也有望賦予未來機器人更強的能力，使得它們能夠與千變?nèi)f化的環(huán)境交互，而這對執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)是非常重要的，比如照顧老年人。

　　徐文濤及其團隊也表示，目前這款人造感覺神經(jīng)還處在初步階段，尚不能像皮膚那樣感知更加復(fù)雜的機械信息以及溫度等，這些將是他們未來的工作方向。這款發(fā)明讓他們有望開發(fā)出更智能的人造皮膚，希望通過進一步強化和功能拓展，盡早將其投入應(yīng)用，造福人類。