美韩研究人员研制人造神经系统,为假肢和机器人提供触感

2018-06-06 11:41:04 国防科技要闻

6月1日,斯坦福大学和首尔国立大学的研究人员开发了一种人造感觉神经系统,可以激活蟑螂的抽搐反射,并识别盲文字符。发表在science杂志上,“生物弹性灵活的有机人造传入神经”。该研究是为假肢创造人造皮肤,恢复被截肢者感觉的第一步,并且可能为机器人提供某类型的反射能力。皮肤是一个复杂的传感、信号和决策系统,该人造感觉神经系统是为各种应用创造类似皮肤的感觉神经网络的一个步骤。

模块构建

该人造感觉神经系统,模仿了皮肤如何伸展和修复自身,且像一个智能感官网络,知道如何将愉快的感觉传递给大脑,还知道什么时候命令肌肉反射反应做出决定。

论文描述了如何构建人造感觉神经回路,该回路可嵌入未来用于神经假体装置和软机器人的类皮肤覆盖物中。该人造神经电路集成了三个组件:一是可检测到很小的力量的触摸传感器,二是灵活的电子神经元,三是仿造人类突触的人造突触晶体管。触摸传感器通过电子神经元发送信号,人造突触晶体管用于感觉信号刺激。触摸传感器和电子神经元是该实验室之前报道的改进版发明。突触晶体管是首尔国立大学Tae-Woo Lee的研究结果。

实验结果

生物突触可以传递信号,还可以存储信息以做出简单决定。突触晶体管在人造神经电路中执行这些功能。Lee用膝关节反射作为一个例子,说明人造神经回路如何成为人造皮肤的一部分,从而为假肢装置或机器人提供感官和反射。当突然点击人体的膝盖引起膝盖肌肉伸展时,这些肌肉中的某些传感器通过神经元发出冲动。神经元轮流向相关突触发送一系列信号。突触网络识别突然伸展的模式,并同时发出两个信号,一个引起膝盖肌肉自反收缩,另一个不太紧急的信号将感觉记录在大脑中。


这些人类神经传递的复杂过程的模拟还需要很长时间的研制,论文描述了电子神经元如何向突触晶体管传递信号,这种信号是通过基于低功率信号的强度和频率识别并响应传感输入而设计的,像生物突触一样。小组成员测试了系统产生反射和触觉的能力。在一次测试中,研究人员将人造神经连接到蟑螂腿上,并对蟑螂的触摸传感器施加微小压力增量。电子神经元将传感器信号转换为数字信号,并通过突触晶体管传递,使得腿部随着触摸传感器上的压力增大或减小而或多或少地剧烈地抽动。

该人造神经可以检测到各种触觉。在一个实验中,人造神经能够区分盲文字母。另一方面,传感器上以不同的方向滚动一个圆柱体,精确地检测到运动方向。

应用前景

人造神经技术仍处于起步阶段。还需要新设备来检测假肢的人造皮肤覆盖物的热量和其他感觉,以及将其嵌入柔性电路,最后将所有感觉和信号与大脑连接。该研究还希望创建低功耗的人造传感器网络来覆盖机器人,给机器人装载像人类皮肤功能类似的人造传感器网络,使机器人更敏捷。

来源:《science》杂志/图片来自互联网

军事科学院军事科学信息研究中心 薛晓芳

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