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Science:重磅!开发出感知压力和让分离的蟑螂腿移动的人造神经

来源:本站原创 2018-06-02 13:13

2018年6月2日/生物谷BIOON/---尽管可能是了不起的工程技术,但当今的假肢装置可能无法让人类大脑感到满意。瑞典隆德大学神经生理学家Henrik Jörntell 说,“如果你有一只假手. . .你能够以一种非常粗暴的方式控制它,但它没有给出任何反馈,那么它对病人来说就变成了更大的精神负担,并且他们通常在一段时间后会将他们的假体放到架子上。”

但是,在一项新的Jörntell没有参与的研究中,他看到了有朝一日解决这种问题的可能性。在这项研究中,来自美国斯坦福大学、中国南开大学、韩国首尔国立大学和庆熙大学的研究人员报道了首个能够检测压力的人造神经,在将这种人造神经连接到蟑螂的一只分离的腿上后,它甚至能够让这只分离的腿移动。这些作者们提出类似的传感器可能有朝一日整合到假肢中,从而使得它们能够向用户传递触摸信息。相关研究结果发表在2018年6月1日的Science期刊上,论文标题为“A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve”。
图片来自Science, 01 Jun 2018, 360(6392):998-1003, doi:10.1126/science.aao0098。

论文共同作者、首尔国立大学工程师Tae-Woo Lee在发送给《科学家》杂志的一封电子邮件中写道,“模拟复杂的生物感觉神经系统(包括神经网络中的所有功能元素)仍然是一个巨大的挑战。”他说,这种新的人造神经系统是在这个方向上迈出的一大步,“能够潜在地用于改善物体识别的空间分辨率和良好的触觉信息处理,如纹理识别、区分物体边缘和强健的盲文阅读”。

为了开发这种装置,Lee的研究团队与斯坦福大学化学工程师Zhenan Bao合作,将三种组分组合成一种几厘米长的扁平柔性片材,这三种组分分别为由有机聚合物、碳纳米管和金电极制成的压力传感器;将这种传感器的输入转换为电脉冲的环形振荡器;将来自多个环形振荡器的输入组合成电流的晶体管。Bao说,“当我们构建一个系统时,如果一个部件的行为不符合它的要求,那么整个系统就会失败。最具挑战性的地方在于真正地让所有这三个部件以一种紧密结合的方式一起发挥作用,并能够真正地展示一种功能。”

美国桑地亚国家实验室的材料工程师Alec Talin(未参与这项研究)说,“这篇论文的新颖之处主要在于整合之前已被研究过的电子元件,就这项研究而言,就是它们放置在一起。”

这些研究人员在体外利用这种人造神经“感知”盲文字符,而且这种装置为每个盲文字符产生一种不同的输出。他们还利用电极将这种晶体管连接到蟑螂的一只分离的腿末端的神经上,诱导它移动。

Bao说,“我们仍处于开发能够被整合到假体皮肤中的人造神经系统的早期阶段。”人体皮肤“能够检测热量、能够检测振动、压力和各种不同形式的力。要真正模仿我们的皮肤. . .我们需要整合其他的传感器,提高我们能够实现的整合度,并进一步提高这种装置的稳定性和可靠性。”

Jörntell说道,在未来,这种人造神经的小尺寸可能是改善假体皮肤的关键,这是因为它将允许以更高的密度整合传感器。他说,如果“你给出了足够丰富的感官反馈. . .那么突然之间,这些假肢对它们所指向的患者群体可能会变得更加有趣”。意大利理工学院工程师Chiara Bartolozzi(未参与这项研究)指出,这种新型人造神经的产量也与当今商用的压力传感器的产量存在着很大不同,后者的产量与强度有关而不与电流相关。这种人造神经的工作方式更类似于生物机械性刺激感受器。

将这种人造神经连接到生物中枢神经系统的一种优势是后者可以处理理解前者的输出所需的计算。Bartolozzi说,这种人造神经也有可能极大地提高机器人的感知和物体操纵能力,但前提是设计出一种能够处理这些传感器输出的计算系统。

Talin说,“如果有人在这项研究中加入一种神经形态电路架构,就像一个深度神经网络那样,那么它能够真正地学会将不同的信号转换成某种信息. . . 这样我就认为这真的很有趣。”除了应用于机器人之外,“如果将它与生物系统连接起来,那么你就可以从某种意义上让这种系统理解通常无法理解的输入”,比如让人类感知红外光的能力。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Yeongin Kim1,*, Alex Chortos2,*, Wentao Xu et al. A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve. Science, 01 Jun 2018, 360(6392):998-1003, doi:10.1126/science.aao0098

Chiara Bartolozzi. Neuromorphic circuits impart a sense of touch. Science, 01 Jun 2018, 360(6392):966-967, doi:10.1126/science.aat3125

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