中美韩科学家联合研获世界首条柔性人造触觉神经
发布时间: 2018-06-08 浏览次数: 512

 南开大学团队参研 Science杂志发文报道

图:上为外刺激通过人体感知神经转化成电信号,并在神经系统传导的过程;下为人造感知神经将外界刺激转化成类神经信号的过程示意图

摘自南开新闻网如果能让机器人拥有触觉,可以感知温度、压力,甚至具有神经活动,那么它们将“解锁”更多新技能。日前,世界上首条柔性人造触觉神经的问世,让这一设想距离现实更近了一步。

  6月1日,斯坦福大学鲍哲楠、首尔大学Tae-Woo  Lee、南开大学徐文涛团队联合在Science杂志发文,报道了一种基于柔性有机电子器件的高灵敏度仿生触觉神经系统。这种人工神经触觉系统具有良好的生物兼容性、柔性和高灵敏度,在机器人手术、义肢感触等领域具有应用前景。

  人类皮肤是极为复杂的系统,其中有成千上万个感受器用于感知压力、温度、位置等信息。这些信息被转化成神经信号,在外围神经和中枢神经中逐级传送。如果人类的身体用电脑的方式处理这些信息,将是一个极其复杂且耗能的过程。

  “人体神经系统用极为高效的机制来处理现实世界所遇到的问题。外界刺激通过感知机械力的受体、局部的神经簇逐层传递到下一级神经、脊髓、以及大脑。只有信号积累到一定的强度,才会传递到下一个环节。这样一来,就省却了许多不必要的信号处理过程,大大提高了效率。”南开大学电子信息与光学工程学院教授徐文涛说。

  徐文涛介绍,他与合作者们要解决的核心问题和关键难点在于,设计并实现与生物神经系统工作原理相似,并能够与生物神经信号兼容的人造系统,并使这套系统具有很好的柔韧性。

  基于上述设想,中美韩联合研究团队利用柔性有机材料模拟了人体SA-I触觉神经。这种人造感知神经由三个核心部件组成:电阻式压力传感器、有机环形振荡器、突触晶体管。

  该系统首先利用一系列感受器感知极为细微的压力,并产生相应的电压变化,随后通过环形振荡器(人工神经纤维)将电压变化转变为电脉冲信号。多个环形振荡器得到的电信号被突触晶体管集成转变为突触电流,进而传递到下一级神经。

  “从功能上讲,这种人造神经能够很好的模拟人类皮肤的触觉功能,并能够与生物体神经信号兼容。我们的初步试验利用其与蟑螂腿的连接以及运动的控制,初步证实了这种兼容性。”徐文涛说,这项工作开创性地制造出了柔性人造感知神经,并实现了人造神经与动物神经形成的杂化反射弧。

  据介绍,这种人造感知神经还具有重要的应用意义。“由于这种感知神经与生物体神经的兼容性,它可应用于假肢中与人体神经系统相兼容的感知的实现,柔性轻质的结构将使相关产品具有很好的舒适性;而且对神经系统疾病的治疗具有潜在意义。同时,这种人造神经如果应用于软体机器人,可使其实现类似人类的感知,并在极端的工作环境中替代人。”徐文涛说。

  研究团队表示,尽管这项研究前景可期,但是目前还只是刚刚开始,还有很多工作要做。他们将继续致力于传感器和人造神经突触等基本单元的功能开发,以及人造感知系统的完善。

  “比如,目前这款人工神经系统还较为初步,尚不能像皮肤那样感知更加复杂信息以及温度等,这些将是我们未来的工作方向。这款发明让我们有望开发出更智能的人造皮肤,希望通过进一步强化和拓展功能,尽早地投入应用,造福人类。”徐文涛说。

  6月1日,国际顶级学术刊物Science杂志刊发了介绍该工作的论文,徐文涛为通讯作者之一和共同第一作者。作为重要合作方,徐文涛在提出设想到项目完成期间承担了重要工作。他首次提出了“制造一种人造感知神经”的设想并制定了核心设计和实验方案。实验过程中,他完成了人造神经突触器件部分的材料选择、设计与制造,并与合作者共同完成整体系统的连接与调试,最终实现这套系统的功能。

  论文链接:http://science.sciencemag.org/content/360/6392/998?rss=1