研究人员开发出一种人工感觉神经系统，可以处理类似于人体的信息，可以有效地赋予假肢触觉
我们的皮肤是人体最大的器官，也是最重要的器官，因为它覆盖了我们的整个身体，控制我们的体温并保护我们免受阳光、异常温度、细菌等有害外部因素的影响。我们的皮肤可以显着伸展并可以自我修复。 皮肤也很重要，因为它为我们提供了一种触觉，通过它我们能够做出决定。 皮肤对我们来说是一个复杂的传感和信号系统。
斯坦福大学和首尔国立大学的鲍振南教授领导的研究团队在《科学》杂志上发表了一项研究，他们开发了一种人工感觉神经系统，这有望成为制造“人造皮肤”的重要一步，这种人造皮肤可用于假肢，恢复感觉并像正常皮肤一样发挥作用。这项研究的难点在于如何有效地模拟我们自身皮肤的独特特性。其中最难模拟的特性是，我们的皮肤就像一个智能感觉网络，它首先将感觉传递给大脑，然后通过反射控制肌肉做出反应，从而迅速做出决策。例如，轻敲肘部肌肉会引起肌肉拉伸，肌肉中的感觉神经元会将冲动传递到大脑。神经元随后会将一系列信号发送到相关的突触。我们体内的突触网络能够识别肌肉突然拉伸的模式，并同时发出两个信号。一个信号会引起肘部肌肉反射性收缩，另一个信号则将这种感觉传递给大脑。整个过程几乎在瞬间完成。模拟这种复杂的生物感觉神经系统，包括神经元网络中的所有功能元件，仍然具有挑战性。
“模仿”真实的独特感觉神经系统
研究人员创造了一种独特的感知神经系统，可以模拟人类神经系统的功能。这种由研究人员设计的“人工神经回路”将三个组件集成到一张几厘米大小的扁平柔性薄片上。这些组件此前已有单独描述。第一个组件是触摸传感器，可以检测力和压力（即使是微小的力和压力）。该传感器（由有机聚合物、碳纳米管和金电极制成）通过第二个组件——柔性电子神经元——发送信号。这两个组件都是同一研究人员之前开发的组件的增强和改进版本。通过这两个组件产生和传递的感知信号被传递到第三个组件——人工突触晶体管，该晶体管的模型与人类大脑中的突触完全相同。所有这三个组件必须协同工作，而实现最终功能是最具挑战性的部分。真正的生物突触传递信号并存储决策所需的信息。该突触晶体管通过人工神经回路向突触晶体管传递电子信号来“执行”这些功能。因此，该人工系统能够学习识别并响应低功率信号的强度和频率等感觉输入，就像生物体内的突触一样。这项研究的创新之处在于，它首次成功地将这三个已知的独立组成部分整合起来，构建了一个完整的系统。
研究人员测试了该系统产生反射和感知触觉的能力。 在一项实验中，他们将人工神经连接到蟑螂腿上，并对触摸传感器施加微小的压力。 电子神经元将传感器信号转换为数字信号并通过突触晶体管传递。 这导致蟑螂的腿根据触摸传感器中压力的增加或减少而抽搐。 因此，这种人工设置肯定会激活抽搐反射。 在第二个实验中，研究人员展示了人工神经通过区分盲文字母来检测不同触觉的能力。 在另一项测试中，他们在传感器上向不同方向滚动了一个圆柱体，并能够准确地检测到运动的确切方向。 因此，该设备能够提高物体识别和精细触觉信息处理，如纹理识别、盲文阅读和物体边缘的区分。
人工感觉神经系统的未来
这种人造神经技术处于非常早期的阶段，尚未达到所需的复杂程度，但为创造人造皮肤覆盖物带来了巨大的希望。 很明显，这种“覆盖物”还需要设备来检测热量、振动、压力和其他力和感觉。 它们必须具有良好的嵌入柔性电路的能力，以便它们能够有效地与大脑交互。 为了模仿我们的皮肤，设备需要有更多的集成和功能，使其更加稳定和可靠。
这种人工神经技术可能是假肢的福音，可以恢复截肢者的感觉。 随着更多 3D 打印技术的出现和响应速度更快的机器人系统，假肢设备在过去一年中得到了很大改进。 尽管进行了这些升级，但当今可用的大多数假肢设备必须以非常粗略的方式进行控制，因为它们无法提供令人满意的与大脑的良好接口，因为它们没有结合庞大的人类神经系统的复杂性。 该设备不提供反馈，因此患者会感到非常不满意，迟早会丢弃它们。 这种人工神经技术成功融入假肢后，将为用户提供触摸信息，并有助于为患者提供更好的体验。 该设备通过赋予反射和触觉的力量，朝着为各种应用制造类皮肤的感觉神经网络迈出了一大步。
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来源（S）
Yeongin K 等人，2018。《一种仿生柔性有机人工传入神经》。《科学》。https ://doi.org/10.1126/science.aao0098
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