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人工神经系统为假肢装置和机器人提供触觉

  斯坦福大学和首尔国立大学的研究人员开发出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中的字母。

  据“ 科学”杂志 5月31日报道,这项工作是为假肢创造人造皮肤,恢复截肢者的感觉,或许有朝一日为机器人提供某种反射能力的一步。

  “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,”化学工程教授兼资深作者之一的Zhenan Bao说。“这种人工感觉神经系统是为各种应用制造类似皮肤的感觉神经网络的一步。”

  这个里程碑是宝的模仿皮肤如何伸展,修复自身的一部分,最重要的是,它像一个聪明的感官网络,不仅知道如何向大脑传递愉快的感觉,而且还知道何时命令肌肉反应做出迅速的决定。

  新的科学论文描述了研究人员如何构建一个人工感觉神经回路,可以嵌入未来的皮肤覆盖物中,用于神经修复设备和软机器人。该基本人工神经电路集成了三个先前描述的组件。

  第一种是触摸传感器,可以检测甚至微小的力。该传感器通过第二个组件发送信号 - 一个灵活的电子神经元。触摸传感器和电子神经元是宝实验室先前报道的改进版本的发明。

  来自这些成分的感觉信号刺激第三个成分,一个人类突触后模拟的人工突触晶体管。突触晶体管是首尔国立大学的Tae-Woo Lee的心血结晶,他在宝的斯坦福实验室度过了他的休假年,开始了协同工作。

  “生物突触可以传递信号,并存储信息以做出简单的决定,”李说,他是该报的第二位高级作者。“突触晶体管在人工神经回路中执行这些功能。”

  Lee使用膝盖反射作为一个例子,说明有一天更先进的人工神经回路可能会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应。

  在人类中,当突然敲击导致膝盖肌肉伸展时,那些肌肉中的某些传感器会通过神经元发出冲动。神经元又将一系列信号发送到相关的突触。突触网络识别突然伸展的模式并同时发出两个信号,一个导致膝盖肌肉反射收缩,另一个不太紧急的信号记录大脑中的感觉。

  新工作在达到复杂程度之前还有很长的路要走。但是在科学论文中,该小组描述了电子神经元如何将信号传递给突触晶体管,该晶体管以这样的方式设计,即它学会根据低功率信号的强度和频率识别和响应感觉输入,像一个生物突触。

  在一次测试中,他们将人工神经连接到蟑螂腿上,并向他们的触摸传感器施加微小的压力增量。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将它们转发,随着触摸传感器上的压力增加或减少,腿部或多或少地剧烈抽搐。

  他们还表明人造神经可以检测出各种触觉。在一个实验中,人工神经能够区分盲文字母。另一方面,他们在不同方向上在传感器上滚动一个圆柱体,并准确地检测到运动的方向。

  Bao的研究生Yeongin Kim和Alex Chortos以及Lee自己实验室的研究员Wentao Xu也是将这些成分整合到功能性人工感觉神经系统中的核心。

  研究人员表示,人工神经技术仍处于起步阶段。例如,为假肢装置创建人造皮肤覆盖物将需要新装置来检测热量和其他感觉,将它们嵌入柔性电路中的能力以及将所有这些装置连接到大脑的方式。

  该组织还希望创造低功率的人造传感器网来覆盖机器人,其目的是通过提供人类从皮肤中获得的一些相同的反馈来使它们更加灵活。

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