發(fā)布日期：2018-06-01
今日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上刊登了一項來自鮑哲南教授團隊的突破性研究。在這項研究中，科學(xué)家們開發(fā)出了一款全新的人造神經(jīng)系統(tǒng)，并成功用它實現(xiàn)了對觸覺的模擬。值得一提的是，這項研究也得到了《科學(xué)》雜志的特別關(guān)注，并在官網(wǎng)和雜志上連發(fā)兩篇評論進行專題報道。
《科學(xué)》對這項研究極為重視，同日進行了多項報道（圖片來源：《科學(xué)》）
鮑哲南教授是知名華人科學(xué)家，目前是斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系的教授，主攻有機電子材料的設(shè)計與研發(fā)。近年來，她在柔性智能人造皮膚的開發(fā)上取得了一系列突破，有望為醫(yī)療器械帶來前所未有的全新性能。基于她的貢獻，《自然》雜志在2015年將她評選為對全球科學(xué)界產(chǎn)生重大影響的年度十大人物之一。去年，她又獲得了歐萊雅-聯(lián)合國教科文組織頒發(fā)的“世界杰出女科學(xué)家獎”。
鮑哲南教授是人造皮膚領(lǐng)域的先驅(qū)之一（圖片來源：鮑哲南教授實驗室官網(wǎng)視頻截圖）
在最新的這項研究中，鮑哲南教授與其合作伙伴Tae-Woo Lee教授在通往智能人造皮膚的道路上更近一步。我們知道，人類皮膚簡直是大自然演化的杰作——成千上萬個感受器能夠感受到壓力、溫度、位置等不同的信息。這些信息極為復(fù)雜。如果我們的身體用電腦的方式去處理這些信息，將耗費大量能量。
而人體的巧妙之處在于我們用了一種極為高效的機制，去處理現(xiàn)實世界所遇到的問題。這套機制分為幾個環(huán)節(jié)，分別是感知機械力的受體、局部的神經(jīng)簇、脊髓、以及大腦。只有信號積累到一定的強度，才會傳遞到下一個環(huán)節(jié)。這樣一來，我們就省卻了許多不必要的信號處理過程，大大提高了效率。
這套人工神經(jīng)系統(tǒng)是對人類觸覺信號傳遞機制的一個模擬（圖片來源：《科學(xué)》）
生物學(xué)的奇妙機制，深深啟發(fā)了研究人員。他們模擬這套系統(tǒng)，利用柔性有機材料，開發(fā)出了一款人造神經(jīng)系統(tǒng)。它由三個部分組成：首先，一系列感受器能感知極為細(xì)微的壓力，并產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化；其次，一款環(huán)形振蕩器能將電壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖；第三，一種叫做突觸晶體管（synaptic transistor）的設(shè)備能模擬神經(jīng)元的功能，以特定模式輸出電脈沖。
“生物的突觸能傳遞信號，儲存信息，來做出簡單的決定，”該研究的通訊作者之一Tae-Woo Lee教授說道：“這款突觸晶體管能在人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)這些功能。”
這款系統(tǒng)足以識別盲文字母（圖片來源：《科學(xué)》）
在后續(xù)研究中，科學(xué)家們證實，他們開發(fā)的人造神經(jīng)能很好地用來模擬皮膚的觸覺功能。在第一項測試中，研究人員們發(fā)現(xiàn)，基于這款人造神經(jīng)系統(tǒng)打造的人工皮膚可以準(zhǔn)確地感知物體的運動方向；在第二項測試中，這款人工皮膚甚至還可以識別盲文！
更為精彩的是，這款系統(tǒng)還能與生物體進行有機結(jié)合，控制肌肉。在另一項測試?yán)?，科學(xué)家們把人造神經(jīng)系統(tǒng)接到了蟑螂的腿上，隨后用不同的壓力值去觸碰壓力感受器，觀察蟑螂腿的反應(yīng)。結(jié)果表明，壓力越大，蟑螂腿的運動越劇烈！這也支持了該系統(tǒng)在實際生物體中的應(yīng)用潛力。
“我們總把皮膚想得很簡單，但它是一個包含了感知、信號傳遞、以及決策制定的復(fù)雜系統(tǒng)，” 鮑哲南教授說道：“這款人造的感知神經(jīng)系統(tǒng)讓我們離制造皮膚般的感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又近了一步。”
科學(xué)家們坦言，目前這款人工神經(jīng)系統(tǒng)還較為初步，尚不能像皮膚那樣感知溫度。但這款成本并不高昂的發(fā)明讓我們有望開發(fā)出更智能的人造皮膚，并將它應(yīng)用于多種醫(yī)療設(shè)備上。對于因截肢而不得不使用義肢的患者來說，重新觸碰到世界，或許將不再是個遙遠(yuǎn)的夢。
來源：學(xué)術(shù)經(jīng)緯（微信號 Global_Academia）
