新型自修復人造"痛覺神經"或使人形機器人具備類人反射

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。

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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