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人工神经系统使假肢装置和机器人具有触觉

发布时间:2019-12-04 11:28:36来源:66378游戏网作者:


斯坦福大学(Stanford)和首尔国立大学(Seoul National University)的研究人员开发了一种人工感觉神经系统,可以激活蟑螂的抽搐反射,并识别盲文字母表中的字母。

这项工作发表在5月31日的《科学》(Science)杂志上,它向为假肢制造人造皮肤、恢复截肢者的感觉迈出了一步,或许有一天会让机器人具备某种反射能力。

“我们认为皮肤是理所当然的,但它是一个复杂的传感、信号和决策系统,”化学工程教授、资深作者之一鲍哲南说。“这种人造感觉神经系统是朝着制造适用于各种应用的类皮肤感觉神经网络迈出的一步。”

构建块

这一里程碑式的研究是鲍教授探索的一部分,目的是模拟皮肤如何伸展、自我修复,最引人注目的是,它就像一个智能感知网络,不仅知道如何将愉悦的感觉传递给大脑,还知道何时命令肌肉做出反应,以迅速做出决定。

《科学》杂志的这篇新论文描述了研究人员如何构建了一个人造感觉神经回路,该回路可以嵌入未来类似皮肤的覆盖物中,用于神经修复装置和软性机器人。这个基本的人工神经电路集成了前面描述的三个组件。

第一个是触摸传感器,它可以探测到微小的力。这个传感器通过第二个元件——一个灵活的电子神经元来发送信号。触摸传感器和电子神经元是之前鲍实验室报道的发明的改进版。

来自这些元件的感觉信号刺激第三个元件,一个模仿人类突触的人造突触晶体管。突触晶体管是首尔国立大学的李泰宇(Tae-Woo Lee)的创意,他利用自己的休假年在鲍的斯坦福实验室发起了这项合作工作。

“生物突触可以传递信号,也可以储存信息来做出简单的决定,”这篇论文的第二作者Lee说。突触晶体管在人造神经电路中执行这些功能。

李以膝关节反射为例,说明更先进的人工神经回路有朝一日可能成为人造皮肤的一部分,为假肢装置或机器人提供感官和反射功能。

在人类,当一个突然的敲击导致膝关节肌肉拉伸时,这些肌肉中的某些传感器会通过一个神经元发送一个脉冲。神经元依次向相关突触发送一系列信号。突触网络识别出突然拉伸的模式,并同时发出两种信号,一种使膝关节肌肉反射性收缩,另一种不那么紧急的信号在大脑中记录下这种感觉。

使它工作

这项新工作要达到那种复杂程度还有很长的路要走。但在《科学》杂志的论文中,研究小组描述了电子神经元是如何将信号传递给突触晶体管的。突触晶体管的设计方式是,根据低功率信号的强度和频率,学习识别感官输入并做出反应,就像生物突触一样。

小组成员测试了该系统产生反射和触觉的能力。

在一项测试中,他们将人造神经连接到一只蟑螂腿上,并对触摸传感器施加微小的压力。电子神经元将传感器信号转换成数字信号,并通过突触晶体管传递,当触摸传感器上的压力增加或减少时,腿就会或多或少地剧烈颤动。

他们还发现人造神经可以感知各种触觉。在一个实验中,人造神经能够区分盲文字母。在另一个实验中,他们将一个圆柱体朝不同的方向滚过传感器,并准确地探测出运动的方向。

鲍的研究生金永仁和亚历克斯·乔托斯,以及来自李自己实验室的研究员徐文涛,也参与了将这些成分整合到功能性人工感觉神经系统的工作。

研究人员表示,人工神经技术仍处于起步阶段。例如,为假体设备制造人造皮肤覆盖物将需要新的设备来探测热量和其他感觉,将它们嵌入柔性电路的能力,以及将所有这些都连接到大脑的方法。

该组织还希望创造出低功耗的人工传感器网络来覆盖机器人,其理念是通过提供一些与人类皮肤相同的反馈,使机器人更加灵活。

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