孫玉松

電影《機(jī)器管家》里的機(jī)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(diǎn)一滴地走近現(xiàn)實(shí)。

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(tuán)隊(duì)聯(lián)合，研發(fā)出首條柔性人造感覺神經(jīng)，并成功用它實(shí)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科技日報(bào)記者采訪。

三大核心部件形成完整反射弧

徐文濤稱，這項(xiàng)研究向類人假肢、人造皮膚等器官仿生制造邁出堅(jiān)實(shí)一步，未來，機(jī)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(shí)現(xiàn)將人體感官“復(fù)制”到機(jī)器人身上的夢想而不停追逐。但迄今為止，機(jī)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(jī)器人也具有人體皮膚的能力，最核心的問題和難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)并實(shí)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?！毙煳臐嬖V記者，正是基于上述設(shè)想，中美韓聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)才利用柔性有機(jī)材料模擬了人體SA-I觸覺神經(jīng)。

記者了解到，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(tuán)隊(duì)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?！毙煳臐榻B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?？梢愿玫貛椭嗽炱つw實(shí)現(xiàn)更接近生物體的觸覺能力?！?/p>

記者了解到，在識別盲文的試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了盲文字符的“閱讀”。

更讓聯(lián)合團(tuán)隊(duì)欣喜的是，他們將人造感覺神經(jīng)與蟑螂腿的運(yùn)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(shí)現(xiàn)了蟑螂腿的彈跳反射運(yùn)動。“實(shí)驗(yàn)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?！毙煳臐貞浧甬?dāng)時情景。

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?！昂蛡鹘y(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。

這也意味著，這一人造神經(jīng)更加適合于舒適性人體假肢感覺的重現(xiàn)和可穿戴電子的應(yīng)用。未來可以集成更多人造神經(jīng)系統(tǒng)，接收各種不同的感覺信息，為假肢穿戴者提供更多幫助，讓他們更好地控制假肢；也有望構(gòu)建靈活的人工神經(jīng)系統(tǒng)，如用于制造生物敏感的軟機(jī)器人，它可以接收來自外部環(huán)境的信息，以仿生方式處理信息，并像動物或人類一樣移動，從而在極端復(fù)雜環(huán)境下替代人工。

“目前，人造感覺神經(jīng)還不能感知更加復(fù)雜的機(jī)械信息以及溫度等?！毙煳臐硎?，這正是他們下一階段的工作方向和重點(diǎn)。