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斯坦福大學(xué)和國(guó)立首爾大學(xué)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,也能識(shí)別盲文字母中的字母。它為假肢制造人造皮膚邁出了第一步,或許有一天會(huì)給機(jī)器人某種反射能力。
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“我們認(rèn)為有皮膚是理所當(dāng)然的,但實(shí)際上它是一個(gè)復(fù)雜的傳感、信號(hào)和決策系統(tǒng)?!彼固垢4髮W(xué)化學(xué)工程教授兼主要作者(senior author)之一Zhenan Bao(鮑哲楠)說,“這種人工感覺神經(jīng)系統(tǒng)是向各種各樣的應(yīng)用創(chuàng)造類似皮膚感覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)邁出的一步。”
這項(xiàng)研究報(bào)告于5月31日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上,它成為假肢制造人造皮膚的一個(gè)步驟,它可以讓截肢者恢復(fù)知覺,也許有一天會(huì)帶給機(jī)器人某種反射能力。
構(gòu)建人工感覺神經(jīng)回路,有朝一日會(huì)成為人造皮膚的一部分
鮑哲楠在研究中試圖模仿皮膚如何伸展、自我修復(fù),最引人注目的是,它就像一個(gè)智能的感覺網(wǎng)絡(luò)一樣,不僅知道如何將愉快的感覺傳遞給大腦,而且還可以命令肌肉做出反射性的反應(yīng),做出迅速的決定。
這篇新的科學(xué)論文描述了研究人員如何構(gòu)建一種人工感覺神經(jīng)回路,這種神經(jīng)回路可以嵌入到未來神經(jīng)假肢設(shè)備和軟機(jī)器人的皮膚上。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(傳感、信號(hào)、決策)。
第一個(gè)是觸覺傳感器,可以檢測(cè)到微小的力量。這個(gè)傳感器通過第二個(gè)元件——一個(gè)靈活的電子神經(jīng)元——發(fā)送信號(hào)。觸覺傳感器和電子神經(jīng)元是鮑哲楠實(shí)驗(yàn)室先前被報(bào)道的發(fā)明的改進(jìn)版。
(A)受壓力刺激的生物傳入神經(jīng)。施加在機(jī)械感受器上的壓力會(huì)改變每個(gè)機(jī)械感受器的感受器電位(receptor potentials)。感受器電位合并并啟動(dòng)在血脈的動(dòng)作電位。神經(jīng)纖維與脊髓內(nèi)的神經(jīng)元之間形成突觸。多個(gè)神經(jīng)纖維的動(dòng)作電位通過突觸結(jié)合在一起,有助于信息處理。
(B)由壓力傳感器、有機(jī)環(huán)形振蕩器和突觸晶體管組成的人工傳入神經(jīng)。為了簡(jiǎn)單起見,這里只顯示了一個(gè)連接到突觸晶體管的環(huán)形振蕩器。然而,多個(gè)帶壓力傳感器的環(huán)形振蕩器可以連接到一個(gè)突觸晶體管。(A)和(B)中顏色相同的部分相互對(duì)應(yīng)。
(C)人工傳入神經(jīng)系統(tǒng)的照片。
來自這些組件的感覺信號(hào)刺激第三個(gè)組件,一個(gè)模擬人類突觸的人工突觸晶體管。這個(gè)突觸晶體管是國(guó)立首爾大學(xué)的李泰宇(Tae-Woo Lee)發(fā)明的,他在鮑哲楠的斯坦福實(shí)驗(yàn)室(Stanford lab)度過了他休假年,并開始了這項(xiàng)合作工作。
“生物突觸可以傳遞信號(hào),也可以儲(chǔ)存信息來做出簡(jiǎn)單的決定,”Lee是論文的第二主要作者(second senior author),他說,“突觸晶體管在人工神經(jīng)回路中執(zhí)行這些功能。”
Lee用膝關(guān)節(jié)反射作為一個(gè)例子,來解釋更高級(jí)的人工神經(jīng)回路如何有朝一日會(huì)成為人造皮膚的一部分,從而為假肢裝置或機(jī)器人提供感官和反射。
對(duì)人類而言,當(dāng)突然敲擊導(dǎo)致膝蓋肌肉伸展時(shí),這些肌肉中的某些傳感器會(huì)通過神經(jīng)元發(fā)出脈沖。神經(jīng)元依次向相關(guān)的突觸發(fā)送一系列信號(hào)。突觸網(wǎng)絡(luò)識(shí)別突然伸展的模式,同時(shí)發(fā)出兩個(gè)信號(hào),一個(gè)導(dǎo)致膝部肌肉反射性收縮,另一個(gè)不那么緊迫的信號(hào)在大腦中記錄這種感覺。
人工神經(jīng)可以探測(cè)到各種觸覺,并讓蟑螂的腿抽搐
新工作在達(dá)到這種復(fù)雜性之前還有很長(zhǎng)的路要走。但在科學(xué)論文中,研究小組描述了電子神經(jīng)元如何向突觸晶體管發(fā)送信號(hào),這種信號(hào)是通過基于低功率信號(hào)的強(qiáng)度和頻率識(shí)別并響應(yīng)傳感輸入而設(shè)計(jì)的,就像生物突觸一樣。
小組成員測(cè)試了系統(tǒng)產(chǎn)生反射和觸覺的能力。
在一項(xiàng)測(cè)試中,他們將人工神經(jīng)連接到蟑螂的腿上,并對(duì)他們的觸覺傳感器施加微小的壓力增量。電子神經(jīng)元將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并通過突觸晶體管將其傳遞出去,當(dāng)觸覺傳感器上的壓力增加或減少時(shí),蟑螂的腿就隨著壓力或多或少地劇烈地抽搐。
他們還展示了人工神經(jīng)可以探測(cè)到各種觸覺。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中,人工神經(jīng)能夠區(qū)分盲文字母。此外,他們?cè)趥鞲衅魃弦圆煌姆较驖L動(dòng)一個(gè)圓柱體,并精確地檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)方向。
研究人員表示,人工神經(jīng)技術(shù)仍處于起步階段。例如,為假肢設(shè)備制造人造皮膚將需要新的設(shè)備來檢測(cè)熱量和其他感覺,也需要嵌入柔性電路的能力,并找到與大腦相連的方法。
研究團(tuán)隊(duì)還希望開發(fā)一種低功耗的人工傳感器網(wǎng)絡(luò)來覆蓋到機(jī)器人身上,其想法是通過提供一些從人類皮膚上獲得的反饋來使它們更加靈活。