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鲍哲南等人Science:柔性有机电子器件,搭建人造神经

楼主:X一MOL资讯 时间:2018-06-24 18:16:10

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在人工智能(AI)成为热门的时下,科学家们不断构建出高效且精巧的算法,在自动驾驶、电子商务、棋类、医学图像识别、安保甚至科学研究等一个又一个领域展现出惊人实力。机器人研究领域同样成果斐然,智能机器们上天入海,风头一时无两。人们在欢呼科技进步的同时,也或多或少有些忧虑,人类会不会终有一天被机器代替?这些忧虑大可不必,在相当长的时间内不会变成现实。我们不用妄自菲薄,经过漫长的进化,人体本身其实就是一台接近完美的“机器”。就拿电脑和人脑作个简单的对比。电脑所有计算依靠芯片上的晶体管来完成,晶体管只有简单的“0”和“1”两种状态,所有的复杂运算都依赖芯片集中式的顺序操作。而我们人类的神经系统则不太一样,神经元和突触基于分布式、并行和事件驱动的方式来处理信息。这两种方式谈不上孰优孰劣,电脑对于一些定义明确的任务,的确表现出高速度和高准确性;而人脑对于处理复杂的现实世界问题,例如视觉信息处理、语音识别和移动控制,则表现出很高的效率、很好的容错性以及很低的能耗。有很多新材料、机器人或者AI领域内的科技进步,实际上都是在学习或模仿生物系统。以神经系统为例,如何模拟人类神经系统,让假肢材料或者机器人能够向人体一样感知触觉、温度,一直是科学家面前的大挑战。


近日,斯坦福大学鲍哲南(Zhenan Bao)教授、首尔大学Tae-Woo Lee教授以及南开大学徐文涛(Wentao Xu)教授等研究者合作在Science 杂志上发表文章,报道了一种基于柔性有机电子器件的高灵敏度人造仿生神经,并成功实现了对触觉的模拟。他们将压力传感器、环形振荡器和离子凝胶-门控晶体管(突触晶体管,synaptic transistor)组合起来模拟人体的机械刺激感受器(mechanoreceptor),可感测多个压力输入且其转换成电信号。作为功能验证,研究者们用这种人造神经分辨盲文字符,成功为每个盲文字符产生一种不同的输出。他们还将这种人造神经连接到一条蟑螂腿的运动神经上,来自人造神经的信号可以诱导蟑螂腿部肌肉的收缩。

视频来源:Science


人体的神经网络中,感受压力的机械刺激感受器根据压力的变化产生不同的受体电位,这些信号会被收集起来,在神经纤维上产生动作电位。神经纤维与脊髓中的中间神经元形成突触,从多条神经纤维而来的动作电位通过突触而被整合起来,传递到大脑进行后续的信息处理(下图A)。模拟这种信号处理方式,研究团队设计了包括电阻压力传感器阵列(类似机械刺激感受器)、有机环形振荡器(类似神经纤维)和突触晶体管(类似突触)三个核心组件的人造传入神经(下图B/C)。

生物神经系统与人造传入神经系统示意图。图片来源:Science


该电阻式压力传感器由金字塔结构的导电弹性体、碳纳米管(CNT)电极和Au电极构成。压力的变大增加了CNT电极和Au电极之间的接触面积,从而降低电阻。这些压力传感器具有与人体机械刺激感受器类似的灵敏度和工作范围。

电阻式压力传感器结构示意图。图片来源:Science


有机环振荡器由奇数个伪互补金属氧化物半导体反相器(CMOS invertor)组成。普通情况下,当压力传感器没有感应到压力时,有机环形振荡器处于“关”状态,功耗很低。一旦感应到压力,环形振荡器可将压力传感器传来的信号转变为电压脉冲,以恒定的频率输出(0至100赫兹)。如果压强增大,则环形振荡器的电压脉冲信号的频率和峰值振幅同时都会增加。

有机环形振荡器结构示意图。图片来源:Science


突触晶体管由溶液加工的共轭聚合物作为空穴传输半导体以及离子凝胶作为栅极介电层制备而成。突触晶体管可整合来自多个有机环振荡器的电压脉冲信号,并将其转变为电流信号。突触晶体管电流的衰减时间在2至3毫秒,与神经突触的衰减时间(1.5至5毫秒)非常接近。

突触晶体管结构示意图。图片来源:Science


除了对这种人造传入神经进行了一系列的表征,研究者还在实验室中进行了应用实验。一个是使用这种人造传入神经识别盲文字符,另一个更加接近实用,他们将这种人造传入神经与生物体内的传出神经连接起来,模拟生物反射弧。具体来说,他们将这种人造传入神经连接到一条离体的蟑螂腿的运动神经上,来自多个压力传感器的信息可通过这种神经形态电路传递,将仿生突触后振荡信号传递到蟑螂腿的运动神经,从而导致蟑螂腿部肌肉的收缩。

由人造传入神经和生物传出神经制成的混合反射弧。图片来源:Science


“生物突触可以传递信号,也可以储存信息并做出简单决定,”Tae-Woo Lee教授说,“这款突触晶体管能在人造神经网络中实现这些功能。”不过,研究人员也承认,人造神经技术仍处于初级阶段,如果为假肢装备人造皮肤覆盖物还需考虑到温度等其他感觉,以及如何将它们嵌入柔性电路并与大脑连接[1-2]


“我们总把皮肤想得很简单,但它是一个包含了感知、信号传递以及决策制定的复杂系统,” 鲍哲南教授说道,“这种人造神经系统让我们离制造类似皮肤般的感觉神经网络又近了一步。”该团队希望下一步用这些低成本、低能耗的人造神经网络制造仿生机器人,让机器人表面获得与人类皮肤相同的反馈,从而让它们更加敏捷[1-2]


这款成本并不高昂的发明让科学家有望开发出更智能的人造皮肤,并将它应用于医疗、假肢感应等领域。对于那些不得不使用假肢的人们来说,在补全肢体的同时恢复肢体的触觉,或许将不再是遥远的梦。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve

Science, 2018, 360, 998-1003, DOI: 10.1126/science.aao0098


导师介绍

鲍哲南

http://www.x-mol.com/university/faculty/35071


参考资料:

1.http://www.sciencemag.org/news/2018/05/new-artificial-nerves-could-transform-prosthetics

2.https://news.stanford.edu/2018/05/31/artificial-nerve-system-gives-prosthetic-devices-robots-sense-touch/


(本文由小希供稿)



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