人工神經(jīng)系統(tǒng)為假肢裝置和機(jī)器人提供觸覺

斯坦福大學(xué)和首爾國立大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種人工感覺神經(jīng)系統(tǒng)，可以激活蟑螂的抽搐反射并識(shí)別盲文字母中的字母。

據(jù)“ 科學(xué)”雜志 5月31日?qǐng)?bào)道，這項(xiàng)工作是為假肢創(chuàng)造人造皮膚，恢復(fù)截肢者的感覺，或許有朝一日為機(jī)器人提供某種反射能力的一步。

“我們認(rèn)為皮膚是理所當(dāng)然的，但它是一個(gè)復(fù)雜的傳感，信號(hào)和決策系統(tǒng)，”化學(xué)工程教授兼資深作者之一的Zhenan Bao說。“這種人工感覺神經(jīng)系統(tǒng)是為各種應(yīng)用制造類似皮膚的感覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一步。”

建筑模塊

這個(gè)里程碑是寶的模仿皮膚如何伸展，修復(fù)自身的一部分，最重要的是，它像一個(gè)聰明的感官網(wǎng)絡(luò)，不僅知道如何向大腦傳遞愉快的感覺，而且還知道何時(shí)命令肌肉反應(yīng)做出迅速的決定。

新的科學(xué)論文描述了研究人員如何構(gòu)建一個(gè)人工感覺神經(jīng)回路，可以嵌入未來的皮膚覆蓋物中，用于神經(jīng)修復(fù)設(shè)備和軟機(jī)器人。該基本人工神經(jīng)電路集成了三個(gè)先前描述的組件。

第一種是觸摸傳感器，可以檢測(cè)甚至微小的力。該傳感器通過第二個(gè)組件發(fā)送信號(hào) - 一個(gè)靈活的電子神經(jīng)元。觸摸傳感器和電子神經(jīng)元是寶實(shí)驗(yàn)室先前報(bào)道的改進(jìn)版本的發(fā)明。

來自這些成分的感覺信號(hào)刺激第三個(gè)成分，一個(gè)人類突觸后模擬的人工突觸晶體管。突觸晶體管是首爾國立大學(xué)的Tae-Woo Lee的心血結(jié)晶，他在寶的斯坦福實(shí)驗(yàn)室度過了他的休假年，開始了協(xié)同工作。

“生物突觸可以傳遞信號(hào)，并存儲(chǔ)信息以做出簡(jiǎn)單的決定，”李說，他是該報(bào)的第二位高級(jí)作者。“突觸晶體管在人工神經(jīng)回路中執(zhí)行這些功能。”

Lee使用膝蓋反射作為一個(gè)例子，說明有一天更先進(jìn)的人工神經(jīng)回路可能會(huì)成為人造皮膚的一部分，從而為假肢裝置或機(jī)器人提供感官和反應(yīng)。

在人類中，當(dāng)突然敲擊導(dǎo)致膝蓋肌肉伸展時(shí)，那些肌肉中的某些傳感器會(huì)通過神經(jīng)元發(fā)出沖動(dòng)。神經(jīng)元又將一系列信號(hào)發(fā)送到相關(guān)的突觸。突觸網(wǎng)絡(luò)識(shí)別突然伸展的模式并同時(shí)發(fā)出兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)導(dǎo)致膝蓋肌肉反射收縮，另一個(gè)不太緊急的信號(hào)記錄大腦中的感覺。

讓它工作

新工作在達(dá)到復(fù)雜程度之前還有很長的路要走。但是在科學(xué)論文中，該小組描述了電子神經(jīng)元如何將信號(hào)傳遞給突觸晶體管，該晶體管以這樣的方式設(shè)計(jì)，即它學(xué)會(huì)根據(jù)低功率信號(hào)的強(qiáng)度和頻率識(shí)別和響應(yīng)感覺輸入，像一個(gè)生物突觸。

小組成員測(cè)試了系統(tǒng)產(chǎn)生反射和感覺觸摸的能力。

在一次測(cè)試中，他們將人工神經(jīng)連接到蟑螂腿上，并向他們的觸摸傳感器施加微小的壓力增量。電子神經(jīng)元將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過突觸晶體管將它們轉(zhuǎn)發(fā)，隨著觸摸傳感器上的壓力增加或減少，腿部或多或少地劇烈抽搐。

他們還表明人造神經(jīng)可以檢測(cè)出各種觸覺。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，人工神經(jīng)能夠區(qū)分盲文字母。另一方面，他們?cè)诓煌较蛏显趥鞲衅魃蠞L動(dòng)一個(gè)圓柱體，并準(zhǔn)確地檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)的方向。

Bao的研究生Yeongin Kim和Alex Chortos以及Lee自己實(shí)驗(yàn)室的研究員Wentao Xu也是將這些成分整合到功能性人工感覺神經(jīng)系統(tǒng)中的核心。

研究人員表示，人工神經(jīng)技術(shù)仍處于起步階段。例如，為假肢裝置創(chuàng)建人造皮膚覆蓋物將需要新裝置來檢測(cè)熱量和其他感覺，將它們嵌入柔性電路中的能力以及將所有這些裝置連接到大腦的方式。

該組織還希望創(chuàng)造低功率的人造傳感器網(wǎng)來覆蓋機(jī)器人，其目的是通過提供人類從皮膚中獲得的一些相同的反饋來使它們更加靈活。