工學(xué)人評(píng)論

突破性地將突觸記憶功能內(nèi)建于仿生觸覺(jué)感受器中，為電子皮膚賦予類神經(jīng)智能，開(kāi)啟了觸覺(jué)感知從“采集”到“理解”的新范式。

當(dāng)人類觸碰一塊粗糙的石頭時(shí)，指尖并不是被動(dòng)地感知紋理，而是在短短數(shù)百毫秒內(nèi)完成一系列復(fù)雜的生物計(jì)算：機(jī)械感受器捕捉微小的壓力差異，通過(guò)突觸與神經(jīng)元連接，進(jìn)行初步信息過(guò)濾與記憶，然后將提取出的核心特征送往大腦進(jìn)行“感知建構(gòu)”。在這個(gè)過(guò)程中，大腦并不是唯一的智能所在，感知本身就是智能的一部分。

在剛剛發(fā)表于《Nature Materials》的一項(xiàng)突破性研究中，來(lái)自韓國(guó)成均館大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次提出并構(gòu)建了一種具“突觸功能”的仿生人工機(jī)械感受器（Artificial Synaptic Mechanoreceptors, 簡(jiǎn)稱ASMRs）。這一系統(tǒng)不僅感知觸覺(jué)，更具備仿生突觸的適應(yīng)與記憶功能，模擬人類皮膚“邊緣智能”的真實(shí)機(jī)制——在感覺(jué)尚未抵達(dá)大腦之前，就已完成“感知+理解”的第一道處理。

這一新穎的研究，有可能徹底改變電子皮膚、機(jī)器人觸覺(jué)與智能交互設(shè)備的發(fā)展路徑。

 圖1 人類觸覺(jué)和人工觸覺(jué)感知 

1 觸覺(jué)不止是感覺(jué)，它本身也是一場(chǎng)神經(jīng)計(jì)算

如圖1所示，傳統(tǒng)的電子皮膚或觸覺(jué)傳感器，往往專注于“采集”：壓力、電阻、頻率等量化參數(shù)被采集并傳遞給后端處理器。然而，人類的觸覺(jué)感知遠(yuǎn)不止于此。生物皮膚中的SA（慢適應(yīng)）與FA（快適應(yīng)）感受器，不僅能感知“什么被觸碰”，還能識(shí)別“觸碰多久”“是否有變化”“紋理是什么樣”。這種初步的感知智能，就來(lái)自它們與神經(jīng)元之間的突觸連接——一個(gè)具備可塑性、適應(yīng)性與短時(shí)記憶能力的界面。

韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)正是從這一點(diǎn)切入，將“突觸”功能內(nèi)建進(jìn)感受器本身，創(chuàng)造出一種自帶突觸記憶的機(jī)械感受器單元。

研究者們提出的人工突觸機(jī)械感受器 （ASMR）模擬 SA 和 FA 生物機(jī)械感受器與傳入神經(jīng)元纖維之間的突觸樣連接，可以在先進(jìn)的人工觸覺(jué)感知系統(tǒng)中處理對(duì)特定機(jī)械刺激模式具有不同適應(yīng)能力的感覺(jué)信號(hào)。并且利用具有 8 個(gè) SA 和 8 個(gè) FA 機(jī)械感受器的 ASMR 陣列中的適應(yīng)和感覺(jué)記憶突觸功能，他們成功地展示了通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí) （ML） 有效識(shí)別筆跡風(fēng)格、表面圖案和紋理的能力。

2 從分子到神經(jīng)的仿生重建

 圖2 突觸 rGO-FET 的突觸特性表征 

這項(xiàng)技術(shù)的核心在于一種垂直集成結(jié)構(gòu)。研究者將三部分功能集于一體：

還原氧化石墨烯（rGO）通道的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）：模擬神經(jīng)突觸放電路徑；

聚氨酯基離子凝膠（Ionogel）介質(zhì)層：負(fù)責(zé)離子分布與突觸可塑性的調(diào)控；

微圖案化彈性感受層：負(fù)責(zé)接受機(jī)械刺激并激活摩擦電信號(hào)。

關(guān)鍵在于，系統(tǒng)利用摩擦電-電容耦合效應(yīng)作為自供電機(jī)制，無(wú)需外部電源，即可在刺激下產(chǎn)生后突觸電流（EPSC），進(jìn)而表現(xiàn)出SA和FA的不同響應(yīng)特性——前者持續(xù)反應(yīng)，后者僅在變化時(shí)放電，完全復(fù)刻生物系統(tǒng)的分化行為。

更重要的是，這種機(jī)械-電信號(hào)的耦合不只是“開(kāi)關(guān)觸發(fā)”，而是真正具備了突觸可塑性。實(shí)驗(yàn)顯示，不同頻率、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間或重復(fù)刺激次數(shù)都會(huì)影響突觸后電流的衰減行為（即記憶強(qiáng)度），類似神經(jīng)突觸的短時(shí)程（STP）和長(zhǎng)時(shí)程（LTP）機(jī)制。

3 觸覺(jué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，不再需要“云處理器”

 圖3 ASMR 在觸覺(jué)刺激過(guò)程中的結(jié)構(gòu)、機(jī)制和突觸特性 

為了驗(yàn)證其實(shí)用潛力，研究者構(gòu)建了一個(gè)包含8個(gè)SA與8個(gè)FA感受器的陣列系統(tǒng)，集成在柔性聚酰亞胺薄膜上。他們將其用于以下智能任務(wù)：

手寫(xiě)風(fēng)格與筆畫(huà)順序識(shí)別：無(wú)需攝像頭，僅靠觸覺(jué)軌跡，系統(tǒng)即可重構(gòu)不同人寫(xiě)下同一字符（如“?”）的順序與風(fēng)格；

表面圖案分類：通過(guò)機(jī)器振動(dòng)系統(tǒng)刺激不同圖案（如金字塔、波紋、平面等），僅利用部分突觸響應(yīng)信號(hào)，分類準(zhǔn)確率高達(dá)96.56%；

真實(shí)材質(zhì)紋理識(shí)別：包括織物、皮革、金屬等16類材料的滑動(dòng)接觸，僅用約10%的數(shù)據(jù)量，即可達(dá)到90.78%的識(shí)別率。

值得注意的是，這些識(shí)別任務(wù)都基于突觸響應(yīng)的“記憶值”（SS），而非完整的時(shí)間序列信號(hào)。也就是說(shuō)，這一仿生系統(tǒng)不僅節(jié)能，還大幅提升了數(shù)據(jù)效率與邊緣計(jì)算能力，非常適用于可穿戴設(shè)備與神經(jīng)機(jī)器人等算力受限場(chǎng)景。

4 科幻與現(xiàn)實(shí)的臨界點(diǎn)

 圖4 內(nèi)置突觸功能的 ASMRs 陣列的應(yīng)用 

長(zhǎng)期以來(lái)，“觸覺(jué)智能”是人機(jī)交互中最難攻克的一環(huán)。聲音與視覺(jué)的數(shù)字化早已成熟，但觸覺(jué)作為一個(gè)高度模糊、語(yǔ)義依賴性強(qiáng)的通感維度，始終難以被有效編碼與解讀。

本研究打破的正是這一限制：不是簡(jiǎn)單采集觸覺(jué)數(shù)據(jù)，而是在傳感端就開(kāi)始“感知與理解”，這意味著未來(lái)的仿生皮膚、義肢、機(jī)器人乃至虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，都可能在“第一觸”就擁有判斷與學(xué)習(xí)能力。

如果說(shuō)過(guò)去的電子皮膚是“無(wú)腦的神經(jīng)末梢”，那么今天的ASMRs，是具記憶功能的“智能神經(jīng)單元”，為仿生系統(tǒng)真正開(kāi)啟了“邊緣神經(jīng)智能”的新時(shí)代。

人類之所以能分辨“一塊粗布”與“一條絲綢”，不僅因?yàn)槠つw敏感，更因?yàn)樯窠?jīng)系統(tǒng)早在大腦之前，就已經(jīng)記住并識(shí)別了那些復(fù)雜的質(zhì)感與壓感圖譜。成均館大學(xué)的這項(xiàng)研究讓人們意識(shí)到——或許未來(lái)的人工智能，不一定從“芯片”開(kāi)始，也可以從“皮膚”出發(fā)。

Hong, S.J., Lee, Y.R., Bag, A.et al.Bio-inspired artificial mechanoreceptors with built-in synaptic functions for intelligent tactile skin.Nat. Mater.(2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02204-y

END

編輯 | 羅虎

審核 | 醫(yī)工學(xué)人理事會(huì)