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人類為什么會產(chǎn)生痛覺？
沒錯，是因?yàn)榇竽X中樞神經(jīng)。和觸覺、溫度等感覺一樣，我們對疼痛非常敏感，當(dāng)受到外界“輕微”刺激時，體內(nèi)的神經(jīng)元產(chǎn)生相應(yīng)的信號，并傳輸至大腦中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，讓我們產(chǎn)生痛感。
借助這一反應(yīng)機(jī)制，如果給機(jī)器人植入一個“大腦”，是否也可以讓它感知疼痛？
對于這個疑問，南洋理工大學(xué)(NTU Singapore)的科學(xué)家們給出了肯定回答。最近，他們通過一種啟發(fā)大腦的方法，為機(jī)器人開發(fā)了一個“迷你大腦”，可以讓它敏感地識別“疼痛”。
不過，光是識別疼痛還不夠。
就像我們的手指不小心劃破一個口子，不需要專業(yè)醫(yī)護(hù)人員來處理一樣。機(jī)器人“受傷”后，也需要進(jìn)行“自我修復(fù)”。
而這項(xiàng)功能同樣被NTU團(tuán)隊(duì)的最新研究攻破了，他們所研發(fā)的“迷你大腦”，可以讓機(jī)器人像人類一樣感知外界施加的“疼痛，并修復(fù)輕微損傷，不需要人工干預(yù)。
人類感受到疼痛的第一反應(yīng)是躲避，機(jī)器人也一樣。
在展示Demo中，研究人員“捏”了一下機(jī)器人的觸角，機(jī)器人立即采取了躲避措施，說明它感知到了外界的刺激。
這一反應(yīng)是如何實(shí)現(xiàn)的呢？
如果讓機(jī)器人能夠識別外界刺激，首先它需要一層覆蓋全身的“皮膚”，而這個皮膚就是傳感器系統(tǒng)。
但需要注意的是，傳感器并不處理信息，這意味它需要依靠外界的輔助設(shè)備來充當(dāng)“神經(jīng)元”。在現(xiàn)有研究中，通常是將傳感器信號，發(fā)送到外界一個大型的中央處理器上集中處理。
而這種方法也帶來了不限復(fù)雜、延遲低、維護(hù)難等問題。
為此，研究人員研發(fā)研制了一種憶阻晶體管，它是一種“類腦”電子設(shè)備，能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行記憶和處理。他們將這種憶阻晶體管內(nèi)置于衛(wèi)星閾值調(diào)整接收器（ Satellite Threshold Adjusting Receptors，STARs）中，并提出了將其與傳感器相結(jié)合的方法。
STARs接收器對傷害性信號的處理過程
在傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，這些多個較小的、功能較弱的處理單元與傳感器節(jié)點(diǎn)相連接，通過對信息的實(shí)時處理，降低了布線復(fù)雜性，同時提高了容錯率和延時問題。
而這些處理單元就像分布在機(jī)器人皮膚上的“迷你大腦”。研究人員介紹稱，
相比于傳統(tǒng)集中式的處理方法，這種分散式系統(tǒng)使機(jī)器人的布線數(shù)量和響應(yīng)時間減少了5到10倍。
?在分布式系統(tǒng)中，每個處理單元通過傳感器元件來處理壓力信號，STARs負(fù)責(zé)接收局部傷害或疼痛信號，而SWARM負(fù)責(zé)建立多重信號與突觸神經(jīng)元（Satellite Spiking Neurons，SSNs）之間建立關(guān)聯(lián)。
其中，SWARM是一種衛(wèi)星重量調(diào)節(jié)電阻存儲器（Satellite Weight Adjusting Resistive Memories），主要用來模擬生物突觸信號。
當(dāng)檢測到與有害刺激相關(guān)的紋理時，SWARM會調(diào)制神經(jīng)元的放電速率，并觸發(fā)“躲避”反應(yīng)，避免潛在的身體傷害。
更重要的，這款機(jī)器人模仿了人類生物系統(tǒng)的工作方式，可以像人類皮膚被割傷后自行愈合一樣，完成自我修復(fù)。
在Demo中，研究人員拔掉了機(jī)器人的電極線來代表受到的外界損傷。
然后，對機(jī)器人的觸角施加壓力，可以看出，它同樣做出了躲避的反應(yīng)。
這說明，機(jī)器人完成的自我修復(fù)，并能夠恢復(fù)正常工作。
事實(shí)上，機(jī)器人的自我修復(fù)功能，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景中非常重要。比如，機(jī)器人常常用來解救災(zāi)難中的受傷人員。他們利用攝像頭和傳感器在廢墟下找到幸存者，然后在觸摸傳感器的引導(dǎo)下將人員拉出。
在這個過程中，如果機(jī)器人受到外界撞擊，將失去機(jī)械功能，無法正常進(jìn)行救援工作。
那么，實(shí)驗(yàn)中的機(jī)器人是如何完成損傷修復(fù)的？研究人員介紹，他們在STARs和SWARMs中注入了一種自我修復(fù)離子凝膠，當(dāng)機(jī)器人受到利器“刺傷”后，凝膠中的分子開始相互作用，能夠?qū)C(jī)器人的“傷口”縫合在一起，進(jìn)而在保持高反應(yīng)能力的同時恢復(fù)其功能。
這種離子凝膠設(shè)計(jì)的基本理念是將電極，可拉伸的聚合物與離子液體結(jié)合在一起。離子-偶極子（ion–dipole）相互作用，可以增加聚合物上帶電離子和極性基團(tuán)之間的作用力，并且隨著離子電荷或分子極性的增加而增加。
在聚合物中加入高離子強(qiáng)度的離子液體后，會產(chǎn)生兩種效果：
一是離子液體將聚合物塑化，使其玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Glass Transition Temperature, Tg)大大低于室溫。
二是離子-偶極子相互作用促進(jìn)了聚合物鏈的擴(kuò)散，使得聚合物能夠在室溫下自行修復(fù)。
大多數(shù)可修復(fù)系統(tǒng)只依賴于分子間的強(qiáng)相互作用，然后，需要手工重新連接聚合物的兩端，與此相反，研究人員利用離子、液體、聚合物三者之間的組合，降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)而使聚合物能夠通過分子間的相互作用將自身縫回一起。
不過，這種修復(fù)功能還僅限于“輕微”的機(jī)械傷害。
但研究人員Nripan Mathews教授也表示，在這項(xiàng)工作中，我們團(tuán)隊(duì)采取了一種非常規(guī)的方法，通過模仿人類的生物學(xué)反應(yīng)機(jī)制，研發(fā)出了一種類似于大腦的神經(jīng)處理系統(tǒng)。雖然還處于原型階段，但我們的發(fā)現(xiàn)為智能感知系統(tǒng)開辟了一種新的路徑。
引用鏈接：
https://techxplore.com/news/2020-10-scientists-mini-brains-robots-pain-self-repair.html
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17870-6
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