一直以來(lái)，人類都在努力將自身具備的全部感官“復(fù)制”到機(jī)器人身上，但是，對(duì)于機(jī)器而言，能實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)感官就已經(jīng)很不容易了。因此，迄今為止，機(jī)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(jué)。

　　相對(duì)于聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)而言，人類天生的觸覺(jué)更加復(fù)雜，觸覺(jué)感官的模擬十分困難，這種感官“集成”了上千種感受器來(lái)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(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送：神經(jīng)信號(hào)通過(guò)局部神經(jīng)簇傳到脊髓并最終傳到大腦。只有當(dāng)信號(hào)足夠強(qiáng)時(shí)，信息才能在傳輸過(guò)程中成功連接起來(lái)。

　　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(kāi)大學(xué)徐文濤教授團(tuán)隊(duì)宣布聯(lián)合研發(fā)出一種人造感覺(jué)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(guò)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(jué)神經(jīng)具有良好的生物兼容性、柔性和高靈敏度，可以探測(cè)不同方向的運(yùn)動(dòng)，甚至能識(shí)別盲文。此外，團(tuán)隊(duì)設(shè)法將人造神經(jīng)與生物體連接起來(lái)：把人造神經(jīng)元的一個(gè)電極插入蟑螂腿的神經(jīng)元后，來(lái)自人造神經(jīng)元的信號(hào)能引起蟑螂腿部肌肉的收縮。

　　可以預(yù)想，這種人造觸覺(jué)神經(jīng)在機(jī)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(duì)“機(jī)器觸覺(jué)”的實(shí)現(xiàn)也算是一項(xiàng)重大進(jìn)展。

　　三大核心組件

　　生物傳入神經(jīng)系統(tǒng)的觸覺(jué)產(chǎn)生機(jī)制是：壓力作用于生物體的機(jī)械型刺激感受器，引起其感受電位的改變，而這種改變會(huì)觸發(fā)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏漠a(chǎn)生。多個(gè)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢煌ㄟ^(guò)神經(jīng)元之間形成的突觸匯合，最終實(shí)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(jué)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(jī)械感受器的靈敏度和工作范圍相當(dāng)

　　其中，觸覺(jué)感受器由一組壓力傳感器組成，連接到一個(gè)作為人造神經(jīng)元的環(huán)形振蕩器上;一系列傳感器負(fù)責(zé)感知壓力信號(hào)，并由此產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化;之后，環(huán)形振蕩器會(huì)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(duì)該人造感覺(jué)神經(jīng)，文章的通訊作者之一、南開(kāi)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(gè)系統(tǒng)還處于初步階段，從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化的過(guò)程中仍存在很多挑戰(zhàn)，在三個(gè)組成部分中都會(huì)有所涉及。

　　“對(duì)于傳感器來(lái)講，在這項(xiàng)工作中我們嘗試了模擬 SA-I 觸覺(jué)神經(jīng)(一種邊緣、質(zhì)地相關(guān)觸覺(jué)感知的重要傳入神經(jīng))。人體皮膚通過(guò)多種傳感器的集成來(lái)感受不同程度的外界刺激，因此在工業(yè)化的過(guò)程中，需要更加復(fù)雜的壓力傳感集成。柔性電路部分相對(duì)復(fù)雜，需要較好的工藝過(guò)程控制，”他說(shuō)，“突觸器件則具有很大的挑戰(zhàn)。其性能調(diào)控要求對(duì)材料的選擇和器件的結(jié)構(gòu)等方面都有較多經(jīng)驗(yàn)、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(shí)別盲文

　　2015 年，《Science》曾經(jīng)刊出過(guò)鮑哲南團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)人造皮膚成果。當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)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(xì)胞發(fā)送信號(hào)，因此更接近人皮膚觸覺(jué)的真實(shí)機(jī)制。

　　而這一次的人造感覺(jué)系統(tǒng)能夠幫助人造皮膚實(shí)現(xiàn)更接近生物體的觸覺(jué)，正如上文所提，該感覺(jué)系統(tǒng)已經(jīng)能夠感受方向、傳遞信息和識(shí)別盲文。

　　人造傳入神經(jīng)系統(tǒng)識(shí)別物體運(yùn)動(dòng)方向，一個(gè)桿狀物體以不同的移動(dòng)方向(紅色和藍(lán)色箭頭)通過(guò)兩個(gè)壓力傳感器分支，突觸晶體管的突觸后電流會(huì)輸出對(duì)應(yīng)于移動(dòng)方向的不同波形，從而識(shí)別出物體的運(yùn)動(dòng)方向

　　在識(shí)別盲文的試驗(yàn)中，研究人員以 3X2 像素的盲文字符作用于對(duì)應(yīng)的 6 個(gè)壓力傳感器，并利用 6 個(gè)對(duì)應(yīng)的環(huán)形振蕩器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)多個(gè)突觸晶體管獲得突觸后電流的波形以實(shí)現(xiàn)對(duì)盲文字符的識(shí)別。

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

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

　　研究者將制作的人造感覺(jué)神經(jīng)與蟑螂腿的生物運(yùn)動(dòng)神經(jīng)連接，組合成生物-電子混合反射弧，實(shí)現(xiàn)了蟑螂腿的彈跳反射運(yùn)動(dòng)。團(tuán)隊(duì)把人造神經(jīng)元的一個(gè)電極插入蟑螂腿的神經(jīng)元，來(lái)自人造感覺(jué)神經(jīng)的突觸后電流經(jīng)過(guò)特定放大器后連接至一條蟑螂腿，當(dāng)人造感覺(jué)神經(jīng)接收到壓力的輸入時(shí)，產(chǎn)生的放大信號(hào)會(huì)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(duì)于 SA-I 類觸覺(jué)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(duì)于我們的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以實(shí)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(shuō)。

　　他也提到，從功耗的角度上來(lái)說(shuō)，這種人造感覺(jué)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(tuán)隊(duì)一直在致力于將其能耗進(jìn)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(jiǎn)單、功能調(diào)控的靈活性以及柔韌性等優(yōu)勢(shì)。”徐文濤教授說(shuō)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(gè)晶體管等器件組成的電路也可以實(shí)現(xiàn)突觸的類似功能，但是，實(shí)現(xiàn)一個(gè)突觸的功能需要多個(gè)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(shì)，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(guò)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(jī)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(diǎn)。這將更加適合于舒適性人體假肢感覺(jué)的重現(xiàn)和可穿戴電子的應(yīng)用等。

　　美國(guó)康奈爾大學(xué)的有機(jī)電子學(xué)專家 Robert Shepherd 則表示“這是一個(gè)非常好的進(jìn)展”。他還表示，柔性有機(jī)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(duì)便宜。

　　這也就意味著，未來(lái)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(jué)信息。這樣的神經(jīng)系統(tǒng)有望為未來(lái)的假肢穿戴者提供更多感覺(jué)信息，幫助他們更好地控制假肢;也有望賦予未來(lái)機(jī)器人更強(qiáng)的能力，使得它們能夠與千變?nèi)f化的環(huán)境交互，而這對(duì)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(tuán)隊(duì)也表示，目前這款人造感覺(jué)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(jī)械信息以及溫度等，這些將是他們未來(lái)的工作方向。這款發(fā)明讓他們有望開(kāi)發(fā)出更智能的人造皮膚，希望通過(guò)進(jìn)一步強(qiáng)化和功能拓展，盡早將其投入應(yīng)用，造福人類。