南开大学团队参研 science杂志发文报道
图：上为外刺激通过人体感知神经转化成电信号，并在神经系统传导的过程；下为人造感知神经将外界刺激转化成类神经信号的过程示意图
摘自南开新闻网如果能让机器人拥有触觉，可以感知温度、压力，甚至具有神经活动，那么它们将“解锁”更多新技能。日前，世界上首条柔性人造触觉神经的问世，让这一设想距离现实更近了一步。
6月1日，斯坦福大学鲍哲楠、首尔大学tae-woo lee、南开大学徐文涛团队联合在science杂志发文，报道了一种基于柔性有机电子器件的高灵敏度仿生触觉神经系统。这种人工神经触觉系统具有良好的生物兼容性、柔性和高灵敏度，在机器人手术、义肢感触等领域具有应用前景。
人类皮肤是极为复杂的系统，其中有成千上万个感受器用于感知压力、温度、位置等信息。这些信息被转化成神经信号，在外围神经和中枢神经中逐级传送。如果人类的身体用电脑的方式处理这些信息，将是一个极其复杂且耗能的过程。
“人体神经系统用极为高效的机制来处理现实世界所遇到的问题。外界刺激通过感知机械力的受体、局部的神经簇逐层传递到下一级神经、脊髓、以及大脑。只有信号积累到一定的强度，才会传递到下一个环节。这样一来，就省却了许多不必要的信号处理过程，大大提高了效率。”南开大学电子信息与光学工程学院教授徐文涛说。
徐文涛介绍，他与合作者们要解决的核心问题和关键难点在于，设计并实现与生物神经系统工作原理相似，并能够与生物神经信号兼容的人造系统，并使这套系统具有很好的柔韧性。
基于上述设想，中美韩联合研究团队利用柔性有机材料模拟了人体sa-i触觉神经。这种人造感知神经由三个核心部件组成：电阻式压力传感器、有机环形振荡器、突触晶体管。
该系统首先利用一系列感受器感知极为细微的压力，并产生相应的电压变化，随后通过环形振荡器(人工神经纤维)将电压变化转变为电脉冲信号。多个环形振荡器得到的电信号被突触晶体管集成转变为突触电流，进而传递到下一级神经。
“从功能上讲，这种人造神经能够很好的模拟人类皮肤的触觉功能，并能够与生物体神经信号兼容。我们的初步试验利用其与蟑螂腿的连接以及运动的控制，初步证实了这种兼容性。”徐文涛说，这项工作开创性地制造出了柔性人造感知神经，并实现了人造神经与动物神经形成的杂化反射弧。
据介绍，这种人造感知神经还具有重要的应用意义。“由于这种感知神经与生物体神经的兼容性，它可应用于假肢中与人体神经系统相兼容的感知的实现，柔性轻质的结构将使相关产品具有很好的舒适性；而且对神经系统疾病的治疗具有潜在意义。同时，这种人造神经如果应用于软体机器人，可使其实现类似人类的感知，并在极端的工作环境中替代人。”徐文涛说。
研究团队表示，尽管这项研究前景可期，但是目前还只是刚刚开始，还有很多工作要做。他们将继续致力于传感器和人造神经突触等基本单元的功能开发，以及人造感知系统的完善。
“比如，目前这款人工神经系统还较为初步，尚不能像皮肤那样感知更加复杂信息以及温度等，这些将是我们未来的工作方向。这款发明让我们有望开发出更智能的人造皮肤，希望通过进一步强化和拓展功能，尽早地投入应用，造福人类。”徐文涛说。
6月1日，国际顶级学术刊物science杂志刊发了介绍该工作的论文，徐文涛为通讯作者之一和共同第一作者。作为重要合作方，徐文涛在提出设想到项目完成期间承担了重要工作。他首次提出了“制造一种人造感知神经”的设想并制定了核心设计和实验方案。实验过程中，他完成了人造神经突触器件部分的材料选择、设计与制造，并与合作者共同完成整体系统的连接与调试，最终实现这套系统的功能。
论文链接：http://science.sciencemag.org/content/360/6392/998?rss=1
