電影《機器管家》里的機器人管家安德魯在科學(xué)家?guī)椭?， 安裝了感覺模塊 ， 一改往日高冷做派 ， 變得會吃醋 ， 會喊疼 ， 并有了人類的各種“感覺”……如今 ， 電影里的科幻場景正一點一滴地走近現(xiàn)實 。
近日 ， 頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》刊登了一篇突破性研究：斯坦福大學(xué)鮑哲南教授、首爾大學(xué)李泰宇(音譯)教授、南開大學(xué)徐文濤教授團隊聯(lián)合 ， 研發(fā)出首條柔性人造感覺神經(jīng) ， 并成功用它實現(xiàn)了對人體觸覺的模擬 。 這一全新的人造神經(jīng)系統(tǒng)如何制造？未來能給我們帶來哪些改變？承擔(dān)此次研究部分核心工作的南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院教授徐文濤接受了采訪人員采訪 。
三大核心部件形成完整反射弧
徐文濤稱 ， 這項研究向類人假肢、人造皮膚等器官仿生制造邁出堅實一步 ， 未來 ， 機器人將變得“溫情脈脈” ， 像真人一樣能解鎖更多的“感覺” 。
人類一直都在為實現(xiàn)將人體感官“復(fù)制”到機器人身上的夢想而不停追逐 。 但迄今為止 ， 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 。
“要想讓機器人也具有人體皮膚的能力 ， 最核心的問題和難點在于如何設(shè)計并實現(xiàn)與生物神經(jīng)系統(tǒng)工作原理相似 ， 還能夠與生物神經(jīng)信號很好兼容的人造系統(tǒng) ， 而且這套系統(tǒng)還得具有很好的柔韌性 。 ”徐文濤告訴采訪人員 ， 正是基于上述設(shè)想 ， 中美韓聯(lián)合研究團隊才利用柔性有機材料模擬了人體SA-I觸覺神經(jīng) 。
采訪人員了解到 ， 科學(xué)家此次制造的人造神經(jīng)系統(tǒng)正是借鑒了生物的傳入神經(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 。 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(fù)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)換成電脈沖;最后 ， 突觸晶體管將電脈沖輸出 ， 從而形成了完整的反射弧 。
能感受方向、傳遞信息并“閱讀”盲文
早在三年前 ， 合作團隊中的美方研究人員就成功制造出了一款人造皮膚 。 “那款人造皮膚可以響應(yīng)壓力變化 ， 并向神經(jīng)細(xì)胞發(fā)送信號 。 ”徐文濤介紹說 ， “這一次的人造感覺系統(tǒng)更進(jìn)了一步 ， 已經(jīng)能夠感受方向、傳遞信息和識別盲文 。 可以更好地幫助人造皮膚實現(xiàn)更接近生物體的觸覺能力 。 ”
采訪人員了解到 ， 在識別盲文的試驗中 ， 科學(xué)家們用一定像素的盲文字符作用于對應(yīng)的6個壓力傳感器 ， 并利用對應(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)盲文字符所產(chǎn)生的接觸壓力不同 ， 其對應(yīng)的突觸后電流的峰值頻率差異 ， 從而實現(xiàn)了盲文字符的“閱讀” 。
更讓聯(lián)合團隊欣喜的是 ， 他們將人造感覺神經(jīng)與蟑螂腿的運動神經(jīng)連接 ， 組合成生物—電子混合反射弧 ， 借助電流的變化 ， 成功實現(xiàn)了蟑螂腿的彈跳反射運動 。 “實驗結(jié)果表明 ， 這種人造神經(jīng)不僅可以模擬人類皮膚的觸覺功能 ， 還能與生物體神經(jīng)信號很好地兼容 。 ”徐文濤回憶起當(dāng)時情景 。
【科學(xué)家研發(fā)首條柔性人造感覺神經(jīng) 解鎖更多真實感】具有靈活性及柔韌性等優(yōu)勢
值得一提的是 ， 這次使用的人造突觸晶體管 ， 并不是傳統(tǒng)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 。 ”徐文濤介紹說 ， 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 。
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