世界首條柔性人造觸覺神經誕生，有望應用於義肢感觸等領域

如果能讓機器人擁有觸覺，可以感知溫度、壓力，甚至具有神經活動，那麼它們將「解鎖」更多新技能。日前，世界上首條柔性人造觸覺神經的問世，讓這一設想距離現實更近了一步。

6月1日，斯坦福大學鮑哲楠、首爾大學Tae-Woo Lee、南開大學徐文濤團隊聯合在Science雜誌發文，報道了一種基於柔性有機電子器件的高靈敏度仿生觸覺神經系統。這種人工神經觸覺系統具有良好的生物兼容性、柔性和高靈敏度，在機器人手術、義肢感觸等領域具有應用前景。

人類皮膚是極為複雜的系統，其中有成千上萬個感受器用於感知壓力、溫度、位置等信息。這些信息被轉化成神經信號，在外圍神經和中樞神經中逐級傳送。如果人類的身體用電腦的方式處理這些信息，將是一個極其複雜且耗能的過程。

「人體神經系統用極為高效的機制來處理現實世界所遇到的問題。」南開大學電子信息與光學工程學院教授徐文濤說，外界刺激通過感知機械力的受體、局部的神經簇逐層傳遞到下一級神經、脊髓以及大腦。只有信號積累到一定的強度，才會傳遞到下一個環節，「這樣一來，就省卻了許多不必要的信號處理過程，大大提高了效率。」

徐文濤及其合作者要解決的核心問題和關鍵難點在於，設計並實現與生物神經系統工作原理相似、並能夠與生物神經信號兼容的人造系統，這套系統要具有很好的柔韌性。

基於上述設想，中美韓聯合研究團隊利用柔性有機材料模擬了人體SA-I觸覺神經。這種人造感知神經由3個核心部件組成：電阻式壓力感測器、有機環形振蕩器、突觸晶體管。

該系統首先利用一系列感受器感知極為細微的壓力，併產生相應的電壓變化，隨後通過環形振蕩器（人工神經纖維）將電壓變化轉變為電脈衝信號。多個環形振蕩器得到的電信號被突觸晶體管集成轉變為突觸電流，進而傳遞到下一級神經。

「從功能上講，這種人造神經能夠很好地模擬人類皮膚的觸覺功能，並能夠與生物體神經信號兼容。我們的初步試驗利用其與蟑螂腿的連接以及運動的控制，初步證實了這種兼容性。」徐文濤說，這項工作開創性地製造出了柔性人造感知神經，並實現了人造神經與動物神經形成的雜化反射弧。

據介紹，這種人造感知神經還具有重要的應用意義。由於這種感知神經與生物體神經的兼容性，它可應用於假肢中與人體神經系統相兼容的感知的實現，柔性輕質的結構將使相關產品具有很好的舒適性，而且對神經系統疾病的治療具有潛在意義。同時，這種人造神經如果應用於軟體機器人，可使其實現類似人類的感知，並在極端的工作環境中替代人。

研究團隊表示，儘管這項研究前景可期，但目前還只是邁出了第一步，還有很多工作要做。他們將繼續致力於感測器和人造神經突觸等基本單元的功能開發，以及人造感知系統的完善。

「比如，目前這款人工神經系統還較為初步，尚不能像皮膚那樣感知更加複雜的信息以及溫度等，這些將是我們未來的工作方向。」徐文濤說，這項研究有望開發出更智能的人造皮膚，「希望通過進一步強化和拓展功能，儘早地投入應用，造福人類。」

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