人造神經來了機器人有一天也會喊疼
研究人員將人造神經連接到蟑螂腿上實現運動的控制。
如果一只棱角分明的機械手，擁有了人類一樣的感覺會是怎樣的情形？在拿起一杯開水的時候，這只機械手能感覺到燙，被門夾到的時候能感覺到疼，這樣的情形曾出現在很多電影場景中，但近來，這個幻想正越來越接近現實。
本報記者任志方整理
把觸覺復制到機器人身上
人類一直都在為實現將人體感官復制到機器人身上的夢想而不停努力。但迄今為止，機器人仍然缺乏一些極其關鍵的能力，其中就包括人類精密而完善的觸覺。
相對于聽覺、視覺而言，人類天生的觸覺更加復雜，觸覺感官的模擬十分困難，這種感官集成了上千種感受器，可以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神經網絡傳送：神經信號通過局部神經簇傳到脊髓并最終傳到大腦。只有當信號足夠強時，信息才能在傳輸過程中成功連接起來。
近日，頂尖學術期刊《科學》刊登了一項來自美國斯坦福大學鮑哲南教授團隊的突破性研究。在這項研究中，科學家們開發出了一款全新的人造神經系統，并成功用它實現了對觸覺的模擬，這項研究向假肢制造、人造皮膚邁出了第一步，或許有一天會給機器人某種反射能力。
鮑哲南教授領導的團隊一直想要打造有觸覺的人造皮膚，而這種人造皮膚本質上其實是一種獨特的電子元件，它利用敏感的電子材料制成，機器人維修，可以被拉伸，能夠感受到微小的壓力帶來的電流變化。
2015年，《科學》曾經刊出過鮑哲南團隊的一項人造皮膚成果。當時，該團隊制造的人造皮膚已經可以響應壓力變化，并向神經細胞發送信號，接近人皮膚觸覺的真實機制。此次的人造感覺系統更進了一步，已經能夠感受方向、傳遞信息和識別盲文。可以更好地幫助人造皮膚實現更接近生物體的觸覺能力。
生物體神經系統的反應機制是這樣的：外界刺激感受器，引起感受電位的改變，觸發神經元動作電位的產生，通過神經元之間形成的突觸匯合，最終實現信息處理。人造神經系統的原理也一樣，其三大核心組件分別是：觸覺感受器、人造神經元和突觸晶體管。
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元的環形振蕩器上；一系列傳感器負責感知壓力信號，并由此產生相應的電壓變化；之后，環形振蕩器會將電壓變化轉換成電脈沖；最后，突觸晶體管將電脈沖輸出，從而形成了完整的反射弧。
人造神經還能識別盲文
新研究出的人造感覺系統能夠幫助人造皮膚實現更接近生物體的觸覺，目前，該感覺系統已經能夠感受方向、傳遞信息和識別盲文。
在識別盲文的試驗中，研究人員以3×2像素的盲文字符作用于對應的6個壓力傳感器，并利用對應的環形振蕩器實現信號的轉換，根據突觸后電流的峰值頻率的特征，就能對應于盲文字符的每個像素。例如，盲文字符的每個像素所產生的接觸壓力不同，其對應的突觸后電流的峰值頻率也會產生對應的差異，從而實現盲文字符的閱讀。
人造神經僅僅是在電子回路中運行還遠遠不夠，它還必須能夠實現生物體神經信號的兼容。因此，研究人員將這種神經連接到蟑螂腿上實現運動的控制，初步證實了這種兼容性。
團隊把人造神經元的一個電極插入蟑螂腿的神經元，來自人造感覺神經的突觸后電流經過特定放大器后連接至一條蟑螂腿，當人造感覺神經接收到壓力的輸入時，產生的放大信號會引起腿部脛骨伸肌的興奮，蟑螂腿的彈跳反射就被激活了。
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的硅基突觸，而是柔性有機材料。結構上，傳統硅基材料利用多個晶體管等器件組成的電路也可以實現突觸的類似功能，工業機器人維修，但是，實現一個突觸的功能需要多個器件，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勢，人造突觸晶體管單一器件可以模擬突觸的功能。
和傳統硅基突觸相比，此次研究出的人造突觸晶體管具有結構簡單、功能調控的靈活性以及柔韌性等優勢。
能夠賦予機器人更強的能力
這一人造神經更加適合于舒適性人體假肢感覺的重現，以及可穿戴電子產品的應用。未來，科學家可以集成更多人造神經系統，接收各種不同的感覺信息。
利用人造神經，科學家可以制造出擁有人類感覺的人造皮膚。這種皮膚像紙一樣薄，具有雙層結構，外層是感知壓力的傳感器，由塑料和碳納米管制成；內層是柔性電子電路，可以把壓力信號轉變成電子信號，傳遞給大腦，刺激神經元，甚至可以感知蝴蝶落在表面的觸覺并作出反應。
比如現在的皮膚移植，還有改進沒有感知力的假肢，都可以運用這項技術，有了靈敏的觸覺，未來的假肢會更像病人本來的肢體。還有一個可能的用途，就是汽車的方向盤，如果在方向盤上安置了觸覺傳感器，在駕駛員很累沒有扶住方向盤的時候，方向盤可以自動感知駕駛員的非正常行駛，然后發出提醒，這樣也能減少交通事故。
人造神經也有望賦予未來機器人更強的能力，使得它們能夠與千變萬化的環境交互，而這對執行復雜任務是非常重要的，比如照顧老年人。
這項研究意味著，在未來，機器人不僅會有人的外形，其皮膚也不再是鋼鐵和橡膠，而是如同真正的人的皮膚一樣，有觸覺、溫覺、痛覺等。面對如此有血有肉的機器人，你還能只把其作為一個機器來看待嗎？這項研究除了能應用在機器人身上，www.tka.net.cn，我們還能做些什么呢
目前這款人造感覺神經還處在初步階段，尚不能像真正的皮膚那樣感知更加復雜的機械信息以及溫度等，這些將是科學家未來的研究方向。從功耗的角度上來說，這種人造感覺神經也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，團隊一直在致力于將其能耗進一步降低。目前，納米線結構的人造突觸晶體管能耗已經被降至與生物突觸類似的程度。