新传感系统赋能机器人手“感知”疼痛并忽略无害触碰

盖世汽车讯 在人工智能与机器人技术协同发展的进程中，开发使机器人能像人类一样高效感知并响应环境的技术已成为关键任务。据外媒报道，韩国研究人员发明新人工感觉神经系统，无需单独的复杂软件或电路即可模拟生物感觉神经系统。该突破性技术有望应用于超微型机器人及机器人假肢等领域。在这些领域中，对外部刺激智能响应且耗能低至关重要。

图片来源： 期刊《Nature Communications》

据悉，这项研究是由韩国科学技术院（KAIST）电气工程学院特聘教授Shinhyun Choi与忠南大学（Chungnam National University）半导体融合工学部教授Jongwon Lee共同领导的联合研究团队完成的。该人工感觉神经系统基于新一代神经形态半导体研发，精准复现了生物体感觉神经系统的工作机制，由此催生的新型机器人系统能够对外界刺激实现自适应响应。

该项研究已发表于顶级学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）。

自然界中，动物（包括人类）会主动忽略安全或熟悉的刺激源，而聚焦于重要或危险的信号做出灵敏响应。这种选择性感知机制既避免了能量浪费，又确保了对关键信号的快速感知。例如，空调的运转声或衣物摩擦皮肤的触感，很快就会因习以为常而被大脑自动忽略。

然而，当有人呼唤你的名字或尖锐物体接触皮肤时，便会立即引发注意力聚焦与生理反应。这些行为受控于感觉神经系统中的“习惯化”‌ 与“敏感化”功能机制。为研发出能如人类般高效响应外部环境的机器人，学界正持续致力于将生物体的感觉神经系统功能应用于机器人。

然而，由于需依赖独立软件或复杂电路，在机器人中实现习惯化、敏感化等复杂神经特性时，始终面临小型化与能效优化的难题。为此，学界一直尝试利用忆阻器这类神经形态半导体器件。

忆阻器作为新一代电子器件，因其能以器件电阻形式存储模拟值，已被广泛用作人工突触。然而，现有忆阻器仅能实现简单的电导单调变化，在模拟神经系统复杂特性方面曾存在根本性局限。

为突破上述局限，该研究团队开发出新型忆阻器，可在单器件内实现习惯化、敏感化等复杂神经响应机制的仿生复现。通过在忆阻器内部引入可以反向改变电导率的附加层，该器件能更真实地模拟真实神经系统的动态突触行为——例如对重复安全刺激响应减弱，而在检测到危险信号时迅速恢复敏感性。

利用该新型忆阻器，研究团队构建出具备触觉与痛感识别能力的人工感觉神经系统，并将其应用于机器人手掌进行性能验证。当安全触觉刺激被重复施加时，对陌生触觉刺激原本反应灵敏的机器人手掌，逐渐表现出‌习惯化特性，表现为主动忽略刺激。

图片来源：韩国科学技术院（KAIST）

随后，当施加伴随电击的复合刺激时，系统识别该复合刺激为危险信号，并通过重新激活敏化响应再次表现出高敏感性。实验由此证实：机器人无需额外复杂软件或处理器，即可实现类人的高效刺激响应机制，为开发高能效神经启发式机器人提供了可行性验证。

韩国科学技术院研究员See-On Park指出：“通过基于‌新一代半导体模拟人类的感觉神经系统，我们开创了实现‌全新机器人范式的可能性，这类机器人在应对外部环境时会更加智能且功耗更低。该技术有望应用于‌新一代半导体与机器人学的多领域融合场景‌，包括：微型机器人、特种作业军用机器人，以及机器人假肢等医疗机器人系统。”