這款基于柔性憶阻器的傳感器能模擬生物神經如何感知、記憶并從損傷中恢復。
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中國東北師范大學的研究人員開發出一種柔軟果凍狀的新型電子"痛覺神經",有望賦予機器人類似人類的反射能力。研究人員解釋稱,這些"神經"能感知不同強度的壓力,而非簡單的開關式觸發。
更值得注意的是,這些神經在"受損"后會變得更為敏感。隨著時間推移,在"愈合"過程中,神經會逐漸平靜下來,敏感性隨之降低。
令人印象深刻的是,新型電子神經在受損后能進行物理性自我修復。理論上它們還可用于觸發反射動作,例如讓肢體遠離"疼痛"源。
從這個意義上說,這些神經的行為模式與生物疼痛反應高度相似,其仿生程度甚至超越了以往開發的同類機器人傳感器。
目前大多數機器人傳感器本質上是二進制的,即只能感知接觸與否。它們通常還是無狀態的,意味著在檢測到疼痛后會立即"遺忘"。
有感知機器人的崛起
這類傳感器往往也很脆弱,任何損傷通常意味著需要整體更換。而人類神經能夠對疼痛程度進行"編碼",受傷后會在一定時間內保持高度敏感狀態,隨后才逐漸恢復正常——盡管這個過程相當緩慢。
所有這些機制意味著人體能為受損組織提供保護。因此,新型機器人"神經"試圖通過硬件而非軟件來復制這種行為。
這項突破的關鍵在于憶阻器。這種電子元件的電阻特性取決于其過往經歷,這與神經元記憶過往刺激、疼痛敏感性取決于歷史經驗的特性不謀而合。然而大多數憶阻器只能在兩種狀態間切換(即開或關)。
研究團隊采用的新型憶阻器則擁有16個穩定等級,類似調光開關與普通燈開關的區別。每個等級代表從無痛到輕度、中度、重度等不同疼痛強度。
此外,研究團隊還巧妙利用了明膠(膠原蛋白中的同種蛋白質)。這是絕佳的選擇,因為明膠能像生物體一樣傳導離子,在受熱時可自然愈合,其化學基團還能引導離子有序運動。研究人員解釋稱,這使得鎂離子等得以移動并形成微小的導電路徑。
小鼠實驗驗證
這些路徑按可預測的步驟形成,為憶阻器提供了16個疼痛等級。該設計使壓力傳感器能將物理力轉化為電流,進而觸發肌肉激活等反應。
研究團隊甚至將新型神經連接至小鼠坐骨神經進行測試,發現傳感器能像自然反射弧(無需大腦參與)一樣觸發小鼠的肌肉反應。
與生物體的不同之處在于明膠的愈合方式:需要暴露在60°C環境中實現重新結合。這對生物體不安全,但對機器人完全可行。
這項發現本質上并非為了讓機器人感受疼痛,更多是著眼于提升工程安全性與耐用性。例如可用于幫助機器人在運行中進行自我保護,甚至可能讓機器人像人類幼兒那樣"學會"識別觸摸危險物。理論上也可集成至假肢中,使其能按比例響應用戶動作。
這項研究已發表于《先進功能材料》期刊。
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