本文轉自南開大學
如果能讓機器人擁有觸覺，可以感知溫度、壓力，甚至具有神經活動，那麼它們將“解鎖”更多新技能。日前，世界上首條柔性人造觸覺神經的問世，讓這一設想距離現實更近了一步。
近日，斯坦福大學鮑哲楠、首爾大學Tae-Woo Lee、南開大學徐文濤團隊聯合在Science雜誌發文，報道了一種基於柔性有機電子器件的高靈敏度仿生觸覺神經系統。這種人工神經觸覺系統具有良好的生物兼容性、柔性和高靈敏度，在機器人手術、義肢感觸等領域具有應用前景。
圖：上為外刺激通過人體感知神經轉化成電信號，並在神經系統傳導的過程；下為人造感知神經將外界刺激轉化成類神經信號的過程示意圖
人類皮膚是極為複雜的系統，其中有成千上萬個感受器用於感知壓力、溫度、位置等信息。這些信息被轉化成神經信號，在外圍神經和中樞神經中逐級傳送。如果人類的身體用電腦的方式處理這些信息，將是一個極其複雜且耗能的過程。
“人體神經系統用極為高效的機制來處理現實世界所遇到的問題。外界刺激通過感知機械力的受體、局部的神經簇逐層傳遞到下一級神經、脊髓、以及大腦。只有信號積累到一定的強度，才會傳遞到下一個環節。這樣一來，就省卻了許多不必要的信號處理過程，大大提高了效率。”南開大學電子信息與光學工程學院教授徐文濤說。
徐文濤介紹，他與合作者們要解決的核心問題和關鍵難點在於，設計並實現與生物神經系統工作原理相似，並能夠與生物神經信號兼容的人造系統，並使這套系統具有很好的柔韌性。
基於上述設想，中美韓聯合研究團隊利用柔性有機材料模擬了人體SA-I觸覺神經。這種人造感知神經由三個核心部件組成：電阻式壓力傳感器、有機環形振盪器、突觸晶體管。
該系統首先利用一系列感受器感知極為細微的壓力，併產生相應的電壓變化，隨後通過環形振盪器(人工神經纖維)將電壓變化轉變為電脈衝信號。多個環形振盪器得到的電信號被突觸晶體管集成轉變為突觸電流，進而傳遞到下一級神經。
“從功能上講，這種人造神經能夠很好的模擬人類皮膚的觸覺功能，並能夠與生物體神經信號兼容。我們的初步試驗利用其與蟑螂腿的連接以及運動的控制，初步證實了這種兼容性。”徐文濤說，這項工作開創性地製造出了柔性人造感知神經，並實現了人造神經與動物神經形成的雜化反射弧。
研究團隊表示，儘管這項研究前景可期，但是目前還只是剛剛開始，還有很多工作要做。他們將繼續致力於傳感器和人造神經突觸等基本單元的功能開發，以及人造感知系統的完善。
“比如，目前這款人工神經系統還較為初步，尚不能像皮膚那樣感知更加複雜信息以及溫度等，這些將是我們未來的工作方向。這款發明讓我們有望開發出更智能的人造皮膚，希望通過進一步強化和拓展功能，儘早地投入應用，造福人類。”徐文濤說。
6月1日，國際頂級學術刊物Science雜誌刊發了介紹該工作的論文，徐文濤為通訊作者之一和共同第一作者。作為重要合作方，徐文濤在提出設想到項目完成期間承擔了重要工作。他首次提出了“製造一種人造感知神經”的設想並制定了核心設計和實驗方案。實驗過程中，他完成了人造神經突觸器件部分的材料選擇、設計與製造，並與合作者共同完成整體系統的連接與調試，最終實現這套系統的功能。
論文鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/360/6392/998?rss=1
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