科學(xué)家創(chuàng)造可用于機(jī)器人的人工神經(jīng)觸覺皮膚：超薄、質(zhì)量輕、有粘性

在過去的幾十年時(shí)間里，機(jī)器人專家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家致力于人工系統(tǒng)的創(chuàng)造與開發(fā)，以越來越接近現(xiàn)實(shí)的方式試圖讓生物功能和人類能力趨近。前文提及的人工系統(tǒng)，包括人工智能系統(tǒng)和可獲取各類的感官數(shù)據(jù)的傳感器。

在人類想要理解物體的特性以及抓住或處理物體的時(shí)候，通常依賴于他們獨(dú)有的觸覺。因此，開發(fā)性能更佳、反應(yīng)更靈活的機(jī)器人或假肢對(duì)于創(chuàng)造人類觸覺的人工傳感系統(tǒng)具有重要價(jià)值。

人類使用不同類型的皮膚受體通過壓力和振動(dòng)信號(hào)的組合，來檢測觸覺刺激。人工觸覺感知系統(tǒng)的進(jìn)步與機(jī)器人和假肢的發(fā)展密切相關(guān)，并且科學(xué)家已經(jīng)創(chuàng)造了人工受體、神經(jīng)和皮膚。然而，構(gòu)建具有類人能力的系統(tǒng)仍然具有挑戰(zhàn)性。

相關(guān)論文

近日，韓國成均館大學(xué)和漢陽大學(xué)的研究人員創(chuàng)建了一種人工觸覺傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)模仿人類通過觸覺識(shí)別周圍物體的方式。

相關(guān)研究以《一種人工神經(jīng)觸覺感知系統(tǒng)》為題發(fā)表在Nature Electronics，它使用傳感器來捕獲與物體的觸覺特性相關(guān)的數(shù)據(jù)。

該團(tuán)隊(duì)在論文中報(bào)告，“我們開發(fā)了一種人工神經(jīng)觸覺皮膚系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用基于粒子的聚合物復(fù)合傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來模擬人類觸覺識(shí)別過程。

傳感器有選擇地響應(yīng)壓力和振動(dòng)，類似于人類皮膚中的慢速自適應(yīng)和快速自適應(yīng)機(jī)械感受器，并且可以產(chǎn)生類似感覺神經(jīng)元的輸出信號(hào)模式。”

研究人員表示，“在體外測試中發(fā)現(xiàn)，輸出信號(hào)通過傳入觸覺小鼠神經(jīng)纖維的無失真?zhèn)鬏斒强赡艿模隗w內(nèi)測試中，信號(hào)可以刺激大鼠運(yùn)動(dòng)神經(jīng)以誘導(dǎo)后肢肌肉收縮。”

生物感覺系統(tǒng)通過“體感轉(zhuǎn)導(dǎo)過程”將觸覺刺激轉(zhuǎn)化為動(dòng)作電位，隨后，再通過傳入神經(jīng)將這些信號(hào)傳輸?shù)酱竽X。

研究人員表示，“我們使用人類的觸覺傳感系統(tǒng)開發(fā)了一種人造手指，它可以通過將傳感器信號(hào)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，來學(xué)習(xí)對(duì)精細(xì)和復(fù)雜的紋理進(jìn)行分類，該方法還可用于基于訓(xùn)練模型預(yù)測未知紋理。”

模仿生物系統(tǒng)的人工觸覺系統(tǒng)

為了模擬人類的觸覺系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)使人工神經(jīng)觸覺皮膚通過傳感器對(duì)壓力及振動(dòng)做出相關(guān)的反應(yīng)，在人類皮膚中復(fù)制了慢適應(yīng)和快適應(yīng)機(jī)械感受器的功能。他們收集的數(shù)據(jù)類似于人類感覺神經(jīng)元收集信息的方式，因此，它們最終會(huì)產(chǎn)生類似人類的觸覺神經(jīng)信號(hào)。

論文指出，該系統(tǒng)由T型皮膚薄膜組成，其中導(dǎo)電壓阻和壓電顆粒排列在彈性聚合物基質(zhì)中。這些薄膜超薄（<120μm）、重量輕（15mg cm-2）且具有粘性，因此非常類似于真實(shí)的人類皮膚。

為了評(píng)估他們的人造皮膚系統(tǒng)，并證明它可以整合到真實(shí)的生物系統(tǒng)中，研究人員在一系列小鼠實(shí)驗(yàn)中對(duì)其進(jìn)行了評(píng)估。

研究人員表示，“這些實(shí)驗(yàn)包括傳入神經(jīng)的體外傳遞測試和通過刺激傳出神經(jīng)進(jìn)行的體內(nèi)肌肉反應(yīng)測試，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了將系統(tǒng)集成到真實(shí)生物系統(tǒng)中的可能性。”

具有顆粒聚合物復(fù)合材料的仿生T型皮膚傳感器

信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為感覺神經(jīng)元模擬信號(hào)

除了通過將人造皮膚與真實(shí)生物系統(tǒng)集成來測試他們的人造皮膚外，研究人員還評(píng)估了其分析和識(shí)別表面紋理的能力。

為此，他們在T型皮膚設(shè)備上層壓了模仿人類指尖結(jié)構(gòu)的人造脊。“我們發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以感知復(fù)雜的紋理圖案，并且將其與可以對(duì)表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類的深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了驚人的99.1%的紋理分類準(zhǔn)確率。”研究人員表示。

未來，這組研究人員開發(fā)的人工觸覺傳感系統(tǒng)可以與現(xiàn)有或新開發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)集成，以復(fù)制人類的觸覺。這可以顯著提高他們在涉及觸摸、抓取和操縱物體的任務(wù)中的表現(xiàn)。（摘自美《深科技》） （編輯/華生）