碰疼了會躲!這個植入「迷你大腦」的AI機械人,可感知疼痛,還能自我癒合

人類為什麼會產生痛覺?

沒錯,是因為大腦中樞神經。和觸覺、溫度等感覺一樣,我們對疼痛非常敏感,當受到外界「輕微」刺激時,體內的神經元產生相應的信號,並傳輸至大腦中的中樞神經系統,讓我們產生痛感。

藉助這一反應機制,如果給機械人植入一個「大腦」,是否也可以讓它感知疼痛?

對於這個疑問,南洋理工大學(NTU Singapore)的科學家們給出了肯定回答。最近,他們通過一種啟發大腦的方法,為機械人開發了一個「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,不需要專業醫護人員來處理一樣。機械人「受傷」后,也需要進行「自我修復」。

而這項功能同樣被NTU團隊的最新研究攻破了,他們所研發的「迷你大腦」,可以讓機械人像人類一樣感知外界施加的「疼痛,並修復輕微損傷,不需要人工干預。

「碰疼了」會躲的機械人

人類感受到疼痛的第一反應是躲避,機械人也一樣。

在展示Demo中,研究人員「捏」了一下機械人的觸角,機械人立即採取了躲避措施,說明它感知到了外界的刺激。

這一反應是如何實現的呢?

如果讓機械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。

但需要注意的是,傳感器並不處理信息,這意味它需要依靠外界的輔助設備來充當「神經元」。在現有研究中,通常是將傳感器信號,發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複雜、延遲低、維護難等問題。

為此,研究人員研發研製了一種憶阻晶體管,它是一種「類腦」電子設備,能夠對信息進行記憶和處理。他們將這種憶阻晶體管內置於衛星閾值調整接收器( Satellite Threshold Adjusting Receptors,STARs)中,並提出了將其與傳感器相結合的方法。

STARs接收器對傷害性信號的處理過程

在傳感器節點的網絡中,這些多個較小的、功能較弱的處理單元與傳感器節點相連接,通過對信息的實時處理,降低了布線複雜性,同時提高了容錯率和延時問題。

而這些處理單元就像分佈在機械人皮膚上的「迷你大腦」。研究人員介紹稱,

相比於傳統集中式的處理方法,這種分散式系統使機械人的布線數量和響應時間減少了5到10倍。


 在分佈式系統中,每個處理單元通過傳感器元件來處理壓力信號,STARs負責接收局部傷害或疼痛信號,而SWARM負責建立多重信號與突觸神經元(Satellite Spiking Neurons,SSNs)之間建立關聯。

其中,SWARM是一種衛星重量調節電阻存儲器(Satellite Weight Adjusting Resistive Memories),主要用來模擬生物突觸信號。

當檢測到與有害刺激相關的紋理時,SWARM會調製神經元的放電速率,並觸發「躲避」反應,避免潛在的身體傷害。

「受傷」機械人的自我修復機制

更重要的,這款機械人模仿了人類生物系統的工作方式,可以像人類皮膚被割傷后自行癒合一樣,完成自我修復。

在Demo中,研究人員拔掉了機械人的電極線來代表受到的外界損傷。

然後,對機械人的觸角施加壓力,可以看出,它同樣做出了躲避的反應。

這說明,機械人完成的自我修復,並能夠恢復正常工作。

事實上,機械人的自我修復功能,在現實應用場景中非常重要。比如,機械人常常用來解救災難中的受傷人員。他們利用攝像頭和傳感器在廢墟下找到倖存者,然後在觸摸傳感器的引導下將人員拉出。

在這個過程中,如果機械人受到外界撞擊,將失去機械功能,無法正常進行救援工作。

那麼,實驗中的機械人是如何完成損傷修復的?研究人員介紹,他們在STARs和SWARMs中注入了一種自我修復離子凝膠,當機械人受到利器「刺傷」后,凝膠中的分子開始相互作用,能夠將機械人的「傷口」縫合在一起,進而在保持高反應能力的同時恢復其功能。

這種離子凝膠設計的基本理念是將電極,可拉伸的聚合物與離子液體結合在一起。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之間的作用力,並且隨着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度的離子液體后,會產生兩種效果:

  • 一是離子液體將聚合物塑化,使其玻璃轉化溫度(Glass Transition Temperature, Tg)大大低於室溫。

  • 二是離子-偶極子相互作用促進了聚合物鏈的擴散,使得聚合物能夠在室溫下自行修復。

大多數可修復系統只依賴於分子間的強相互作用,然後,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,降低玻璃化轉變溫度,進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,這種修復功能還僅限於「輕微」的機械傷害。

但研究人員Nripan Mathews教授也表示,在這項工作中,我們團隊採取了一種非常規的方法,通過模仿人類的生物學反應機制,研發出了一種類似於大腦的神經處理系統。雖然還處於原型階段,但我們的發現為智能感知系統開闢了一種新的路徑。

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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