把觸覺復(fù)制到機(jī)器人身上
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(mèng)想而不停努力。但迄今為止，機(jī)器人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。
相對(duì)于聽覺、視覺而言，人類天生的觸覺更加復(fù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送：神經(jīng)信號(hào)通過局部神經(jīng)簇傳到脊髓并最終傳到大腦。只有當(dāng)信號(hào)足夠強(qiáng)時(shí)，信息才能在傳輸過程中成功連接起來。
近日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》刊登了一項(xiàng)來自美國(guó)斯坦福大學(xué)鮑哲南教授團(tuán)隊(duì)的突破性研究。在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們開發(fā)出了一款全新的人造神經(jīng)系統(tǒng)，并成功用它實(shí)現(xiàn)了對(duì)觸覺的模擬，這項(xiàng)研究向假肢制造、人造皮膚邁出了第一步，或許有一天會(huì)給機(jī)器人某種反射能力。
鮑哲南教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)一直想要打造有觸覺的人造皮膚，而這種“人造皮膚”本質(zhì)上其實(shí)是一種獨(dú)特的電子元件，它利用敏感的電子材料制成，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(xué)》曾經(jīng)刊出過鮑哲南團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)人造皮膚成果。當(dāng)時(shí)，該團(tuán)隊(duì)制造的人造皮膚已經(jīng)可以響應(yīng)壓力變化，并向神經(jīng)細(xì)胞發(fā)送信號(hào)，接近人皮膚觸覺的真實(shí)機(jī)制。此次的人造感覺系統(tǒng)更進(jìn)了一步，已經(jīng)能夠感受方向、傳遞信息和識(shí)別盲文。可以更好地幫助人造皮膚實(shí)現(xiàn)更接近生物體的觸覺能力。
生物體神經(jīng)系統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)制是這樣的：外界刺激感受器，引起感受電位的改變，觸發(fā)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏漠a(chǎn)生，通過神經(jīng)元之間形成的突觸匯合，最終實(shí)現(xiàn)信息處理。人造神經(jīng)系統(tǒng)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(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(gè)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(hào)，并由此產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化;之后，環(huán)形振蕩器會(huì)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。
人造神經(jīng)還能識(shí)別盲文
新研究出的人造感覺系統(tǒng)能夠幫助人造皮膚實(shí)現(xiàn)更接近生物體的觸覺，目前，該感覺系統(tǒng)已經(jīng)能夠感受方向、傳遞信息和識(shí)別盲文。
在識(shí)別盲文的試驗(yàn)中，研究人員以3×2像素的盲文字符作用于對(duì)應(yīng)的6個(gè)壓力傳感器，并利用對(duì)應(yīng)的環(huán)形振蕩器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，根據(jù)突觸后電流的峰值頻率的特征，就能對(duì)應(yīng)于盲文字符的每個(gè)像素。例如，盲文字符的每個(gè)像素所產(chǎn)生的接觸壓力不同，其對(duì)應(yīng)的突觸后電流的峰值頻率也會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的差異，從而實(shí)現(xiàn)盲文字符的“閱讀”。
人造神經(jīng)僅僅是在電子回路中運(yùn)行還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，它還必須能夠?qū)崿F(xiàn)生物體神經(jīng)信號(hào)的兼容。因此，研究人員將這種神經(jīng)連接到蟑螂腿上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的控制，初步證實(shí)了這種兼容性。
團(tuán)隊(duì)把人造神經(jīng)元的一個(gè)電極插入蟑螂腿的神經(jīng)元，來自人造感覺神經(jīng)的突觸后電流經(jīng)過特定放大器后連接至一條蟑螂腿，當(dāng)人造感覺神經(jīng)接收到壓力的輸入時(shí)，產(chǎn)生的放大信號(hào)會(huì)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(tǒng)的硅基突觸，而是柔性有機(jī)材料。結(jié)構(gòu)上，傳統(tǒng)硅基材料利用多個(gè)晶體管等器件組成的電路也可以實(shí)現(xiàn)突觸的類似功能，但是，實(shí)現(xiàn)一個(gè)突觸的功能需要多個(gè)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(yōu)勢(shì)，人造突觸晶體管單一器件可以模擬突觸的功能。
和傳統(tǒng)硅基突觸相比，此次研究出的人造突觸晶體管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能調(diào)控的靈活性以及柔韌性等優(yōu)勢(shì)。
能夠賦予機(jī)器人更強(qiáng)的能力
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)，以及可穿戴電子產(chǎn)品的應(yīng)用。未來，科學(xué)家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。
利用人造神經(jīng)，科學(xué)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(jié)構(gòu)，外層是感知壓力的傳感器，由塑料和碳納米管制成;內(nèi)層是柔性電子電路，可以把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成電子信號(hào)，傳遞給大腦，刺激神經(jīng)元，甚至可以感知蝴蝶落在表面的“觸覺”并作出反應(yīng)。
比如現(xiàn)在的皮膚移植，還有改進(jìn)沒有感知力的假肢，都可以運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，有了靈敏的“觸覺”，未來的假肢會(huì)更像病人本來的肢體。還有一個(gè)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(shí)候，方向盤可以自動(dòng)感知駕駛員的非正常行駛，然后發(fā)出提醒，這樣也能減少交通事故。
人造神經(jīng)也有望賦予未來機(jī)器人更強(qiáng)的能力，使得它們能夠與千變?nèi)f化的環(huán)境交互，而這對(duì)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)是非常重要的，比如照顧老年人。
這項(xiàng)研究意味著，在未來，機(jī)器人不僅會(huì)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(duì)如此“有血有肉”的機(jī)器人，你還能只把其作為一個(gè)機(jī)器來看待嗎?這項(xiàng)研究除了能應(yīng)用在機(jī)器人身上，我們還能做些什么呢
目前這款人造感覺神經(jīng)還處在初步階段，尚不能像真正的皮膚那樣感知更加復(fù)雜的機(jī)械信息以及溫度等，這些將是科學(xué)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(jīng)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(tuán)隊(duì)一直在致力于將其能耗進(jìn)一步降低。目前，納米線結(jié)構(gòu)的人造突觸晶體管能耗已經(jīng)被降至與生物突觸類似的程度。
