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人類為什么會產生痛覺？
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，并傳輸至大腦中的中樞神經系統(tǒng)，讓我們產生痛感。
借助這一反應機制，如果給機器人植入一個“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(NTU Singapore)的科學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)護人員來處理一樣。機器人“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(fā)的“迷你大腦”，可以讓機器人像人類一樣感知外界施加的“疼痛，并修復輕微損傷，不需要人工干預。
人類感受到疼痛的第一反應是躲避，機器人也一樣。
在展示Demo中，研究人員“捏”了一下機器人的觸角，機器人立即采取了躲避措施，說明它感知到了外界的刺激。
這一反應是如何實現的呢？
如果讓機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備來充當“神經元”。在現有研究中，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雜、延遲低、維護難等問題。
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于衛(wèi)星閾值調整接收器（ Satellite Threshold Adjusting Receptors，STARs）中，并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(jié)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(jié)點相連接，通過對信息的實時處理，降低了布線復雜性，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)使機器人的布線數量和響應時間減少了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(wèi)星重量調節(jié)電阻存儲器（Satellite Weight Adjusting Resistive Memories），主要用來模擬生物突觸信號。
當檢測到與有害刺激相關的紋理時，SWARM會調制神經元的放電速率，并觸發(fā)“躲避”反應，避免潛在的身體傷害。
更重要的，這款機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。
在Demo中，研究人員拔掉了機器人的電極線來代表受到的外界損傷。
然后，對機器人的觸角施加壓力，可以看出，它同樣做出了躲避的反應。
這說明，機器人完成的自我修復，并能夠恢復正常工作。
事實上，機器人的自我修復功能，在現實應用場景中非常重要。比如，機器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幸存者，然后在觸摸傳感器的引導下將人員拉出。
在這個過程中，如果機器人受到外界撞擊，將失去機械功能，無法正常進行救援工作。
那么，實驗中的機器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，當機器人受到利器“刺傷”后，凝膠中的分子開始相互作用，能夠將機器人的“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，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)大大低于室溫。
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(tǒng)只依賴于分子間的強相互作用，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于“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，我們團隊采取了一種非常規(guī)的方法，通過模仿人類的生物學反應機制，研發(fā)出了一種類似于大腦的神經處理系統(tǒng)。雖然還處于原型階段，但我們的發(fā)現為智能感知系統(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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