斯坦福大學(xué)和國立首爾大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種人工感覺神經(jīng)系統(tǒng)，可以激活蟑螂的抽搐反射，也能識別盲文字母中的字母。它為假肢制造人造皮膚邁出了第一步，或許有一天會給機(jī)器人某種反射能力。

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“我們認(rèn)為有皮膚是理所當(dāng)然的，但實(shí)際上它是一個復(fù)雜的傳感、信號和決策系統(tǒng)。”斯坦福大學(xué)化學(xué)工程教授兼主要作者（senior author）之一Zhenan Bao（鮑哲楠）說，“這種人工感覺神經(jīng)系統(tǒng)是向各種各樣的應(yīng)用創(chuàng)造類似皮膚感覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)邁出的一步。”

這項研究報告于5月31日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，它成為假肢制造人造皮膚的一個步驟，它可以讓截肢者恢復(fù)知覺，也許有一天會帶給機(jī)器人某種反射能力。

鮑哲楠在研究中試圖模仿皮膚如何伸展、自我修復(fù)，最引人注目的是，它就像一個智能的感覺網(wǎng)絡(luò)一樣，不僅知道如何將愉快的感覺傳遞給大腦，而且還可以命令肌肉做出反射性的反應(yīng)，做出迅速的決定。

這篇新的科學(xué)論文描述了研究人員如何構(gòu)建一種人工感覺神經(jīng)回路，這種神經(jīng)回路可以嵌入到未來神經(jīng)假肢設(shè)備和軟機(jī)器人的皮膚上。這個基本的人工神經(jīng)電路集成了前面描述的三個組件（傳感、信號、決策）。

第一個是觸覺傳感器，可以檢測到微小的力量。這個傳感器通過第二個元件——一個靈活的電子神經(jīng)元——發(fā)送信號。觸覺傳感器和電子神經(jīng)元是鮑哲楠實(shí)驗室先前被報道的發(fā)明的改進(jìn)版。

(A)受壓力刺激的生物傳入神經(jīng)。施加在機(jī)械感受器上的壓力會改變每個機(jī)械感受器的感受器電位（receptor potentials）。感受器電位合并并啟動在血脈的動作電位。神經(jīng)纖維與脊髓內(nèi)的神經(jīng)元之間形成突觸。多個神經(jīng)纖維的動作電位通過突觸結(jié)合在一起，有助于信息處理。

(B)由壓力傳感器、有機(jī)環(huán)形振蕩器和突觸晶體管組成的人工傳入神經(jīng)。為了簡單起見，這里只顯示了一個連接到突觸晶體管的環(huán)形振蕩器。然而，多個帶壓力傳感器的環(huán)形振蕩器可以連接到一個突觸晶體管。(A)和(B)中顏色相同的部分相互對應(yīng)。

(C)人工傳入神經(jīng)系統(tǒng)的照片。

來自這些組件的感覺信號刺激第三個組件，一個模擬人類突觸的人工突觸晶體管。這個突觸晶體管是國立首爾大學(xué)的李泰宇(Tae-Woo Lee)發(fā)明的，他在鮑哲楠的斯坦福實(shí)驗室(Stanford lab)度過了他休假年，并開始了這項合作工作。

“生物突觸可以傳遞信號，也可以儲存信息來做出簡單的決定，”Lee是論文的第二主要作者（second senior author），他說，“突觸晶體管在人工神經(jīng)回路中執(zhí)行這些功能。”

Lee用膝關(guān)節(jié)反射作為一個例子，來解釋更高級的人工神經(jīng)回路如何有朝一日會成為人造皮膚的一部分，從而為假肢裝置或機(jī)器人提供感官和反射。

對人類而言，當(dāng)突然敲擊導(dǎo)致膝蓋肌肉伸展時，這些肌肉中的某些傳感器會通過神經(jīng)元發(fā)出脈沖。神經(jīng)元依次向相關(guān)的突觸發(fā)送一系列信號。突觸網(wǎng)絡(luò)識別突然伸展的模式，同時發(fā)出兩個信號，一個導(dǎo)致膝部肌肉反射性收縮，另一個不那么緊迫的信號在大腦中記錄這種感覺。

新工作在達(dá)到這種復(fù)雜性之前還有很長的路要走。但在科學(xué)論文中，研究小組描述了電子神經(jīng)元如何向突觸晶體管發(fā)送信號，這種信號是通過基于低功率信號的強(qiáng)度和頻率識別并響應(yīng)傳感輸入而設(shè)計的，就像生物突觸一樣。

小組成員測試了系統(tǒng)產(chǎn)生反射和觸覺的能力。

在一項測試中，他們將人工神經(jīng)連接到蟑螂的腿上，并對他們的觸覺傳感器施加微小的壓力增量。電子神經(jīng)元將傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過突觸晶體管將其傳遞出去，當(dāng)觸覺傳感器上的壓力增加或減少時，蟑螂的腿就隨著壓力或多或少地劇烈地抽搐。

他們還展示了人工神經(jīng)可以探測到各種觸覺。在另一個實(shí)驗中，人工神經(jīng)能夠區(qū)分盲文字母。此外，他們在傳感器上以不同的方向滾動一個圓柱體，并精確地檢測到運(yùn)動方向。

研究人員表示，人工神經(jīng)技術(shù)仍處于起步階段。例如，為假肢設(shè)備制造人造皮膚將需要新的設(shè)備來檢測熱量和其他感覺，也需要嵌入柔性電路的能力，并找到與大腦相連的方法。

研究團(tuán)隊還希望開發(fā)一種低功耗的人工傳感器網(wǎng)絡(luò)來覆蓋到機(jī)器人身上，其想法是通過提供一些從人類皮膚上獲得的反饋來使它們更加靈活。