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最新研究:人造皮肤可识别盲文的新成果
时间:2018-06-01 13:51:06  作者:网站编辑  来源:学术经伟
今日,顶尖学术期刊《科学》上刊登了一项来自鲍哲南教授团队的突破性研究。在这项研究中,科学家们开发出了一款全新的人造神经系统,并成功用它实现了对触觉的模拟。

  今日,顶尖学术期刊《科学》上刊登了一项来自鲍哲南教授团队的突破性研究。在这项研究中,科学家们开发出了一款全新的人造神经系统,并成功用它实现了对触觉的模拟。值得一提的是,这项研究也得到了《科学》杂志的特别关注,并在官网和杂志上连发两篇评论进行专题报道。


  ▲《科学》对这项研究极为重视,同日进行了多项报道(图片来源:《科学》)

  鲍哲南教授是知名华人科学家,目前是斯坦福大学化学工程系的教授,主攻有机电子材料的设计与研发。近年来,她在柔性智能人造皮肤的开发上取得了一系列突破,有望为医疗器械带来前所未有的全新性能。基于她的贡献,《自然》杂志在2015年将她评选为对全球科学界产生重大影响的年度十大人物之一。去年,她又获得了欧莱雅-联合国教科文组织颁发的“世界杰出女科学家奖”。

  ▲鲍哲南教授是人造皮肤领域的先驱之一(图片来源:鲍哲南教授实验室官网视频截图)

  在最新的这项研究中,鲍哲南教授与其合作伙伴Tae-Woo Lee教授在通往智能人造皮肤的道路上更近一步。我们知道,人类皮肤简直是大自然演化的杰作——成千上万个感受器能够感受到压力、温度、位置等不同的信息。这些信息极为复杂。如果我们的身体用电脑的方式去处理这些信息,将耗费大量能量。

  而人体的巧妙之处在于我们用了一种极为高效的机制,去处理现实世界所遇到的问题。这套机制分为几个环节,分别是感知机械力的受体、局部的神经簇、脊髓、以及大脑。只有信号积累到一定的强度,才会传递到下一个环节。这样一来,我们就省却了许多不必要的信号处理过程,大大提高了效率。

  


  ▲这套人工神经系统是对人类触觉信号传递机制的一个模拟(图片来源:《科学》)

  生物学的奇妙机制,深深启发了研究人员。他们模拟这套系统,利用柔性有机材料,开发出了一款人造神经系统。它由三个部分组成:首先,一系列感受器能感知极为细微的压力,并产生相应的电压变化;其次,一款环形振荡器能将电压变化转变为电脉冲;第三,一种叫做突触晶体管(synaptic transistor)的设备能模拟神经元的功能,以特定模式输出电脉冲。

  “生物的突触能传递信号,储存信息,来做出简单的决定,”该研究的通讯作者之一Tae-Woo Lee教授说道:“这款突触晶体管能在人造神经网络中实现这些功能。”


  ▲这款系统足以识别盲文字母(图片来源:《科学》)

  在后续研究中,科学家们证实,他们开发的人造神经能很好地用来模拟皮肤的触觉功能。在第一项测试中,研究人员们发现,基于这款人造神经系统打造的人工皮肤可以准确地感知物体的运动方向;在第二项测试中,这款人工皮肤甚至还可以识别盲文!

  更为精彩的是,这款系统还能与生物体进行有机结合,控制肌肉。在另一项测试里,科学家们把人造神经系统接到了蟑螂的腿上,随后用不同的压力值去触碰压力感受器,观察蟑螂腿的反应。结果表明,压力越大,蟑螂腿的运动越剧烈!这也支持了该系统在实际生物体中的应用潜力。


  ▲2.2kPa压力,腿部每秒转动27度(图片来源:《科学》视频截图)


  ▲3.3kPa压力,腿部每秒转动90度(图片来源:《科学》视频截图)


  ▲4.9kPa压力,腿部每秒转动182度(图片来源:《科学》视频截图)

  “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:“这款人造的感知神经系统让我们离制造皮肤般的感知神经网络又近了一步。”

  科学家们坦言,目前这款人工神经系统还较为初步,尚不能像皮肤那样感知温度。但这款成本并不高昂的发明让我们有望开发出更智能的人造皮肤,并将它应用于多种医疗设备上。对于因截肢而不得不使用义肢的患者来说,重新触碰到世界,或许将不再是个遥远的梦。

关键字:人造皮肤、盲文
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