人造神經(jīng)系統(tǒng)解鎖多感官運(yùn)動感知

生物是如何知道自己在運(yùn)動的呢？科學(xué)研究表明，運(yùn)動的感知是多種感官綜合作用的結(jié)果。大腦多感官整合是將不同模態(tài)感官信息進(jìn)行結(jié)合的過程，這對于許多生物完成決策、記憶和學(xué)習(xí)等任務(wù)至關(guān)重要。人類感官的形成首先由負(fù)責(zé)感受的外周神經(jīng)將接收到的刺激編碼為各種信號，進(jìn)而傳導(dǎo)至大腦皮層的中樞神經(jīng)。但是，如果一個人的外周神經(jīng)受損，該如何感知運(yùn)動呢？沒有神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)器人又該如何感知運(yùn)動呢？

近日，南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院教授徐文濤和他的神經(jīng)形態(tài)與柔性電子實驗室研發(fā)出一種人造神經(jīng)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)運(yùn)動感知。該系統(tǒng)主要由柔性人工突觸器件構(gòu)成，可完成大腦對多種感官的整合，從而獲得卓越的運(yùn)動感知性能。3月11日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》刊登了這一研究成果。南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院蔣程鵬博士為第一作者，徐文濤教授為唯一通訊作者。該成果對于類腦器件、仿生電子的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義，可潛在應(yīng)用于移動機(jī)器人、智能可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互等領(lǐng)域。

解碼運(yùn)動感知原理，運(yùn)動識別準(zhǔn)確率超94%

要想構(gòu)建出人造神經(jīng)的運(yùn)動感知系統(tǒng)，首先要弄明白運(yùn)動感知是如何通過神經(jīng)形成的。

此次開發(fā)的人造運(yùn)動感知神經(jīng)設(shè)計靈感，來源于獼猴多感官整合與空間感知機(jī)制。“上躥下跳的獼猴是運(yùn)動能手，它對高度和空間位置的感知異常靈敏。我們可以從獼猴入手來破解其背后的生物學(xué)原理，為系統(tǒng)的研發(fā)提供理論支持?！毙煳臐忉尩馈?/P>

獼猴的自主運(yùn)動會在內(nèi)耳前庭和視網(wǎng)膜中激發(fā)慣性信號與光流信號等運(yùn)動信息，大腦皮層的特定區(qū)域?qū)幋a為尖峰脈沖的運(yùn)動信息進(jìn)行處理識別后，最終通過整合不同感官的信息實現(xiàn)空間感知。在人造神經(jīng)運(yùn)動感知系統(tǒng)中，團(tuán)隊運(yùn)用加速度計和陀螺儀分別獲取加速度與角速度信號，同時將這兩種運(yùn)動信號編碼為兩個脈沖序列，隨后傳輸至高性能的可以模擬大腦處理和存儲功能的突觸晶體管進(jìn)行處理。突觸晶體管通過對脈沖平均發(fā)放率和突觸器件輸出電流進(jìn)行判定，實現(xiàn)運(yùn)動信號的分類識別。

“除了運(yùn)動信號外，其他感官的存在可以幫助運(yùn)動感知更為精確?！毙煳臐髁艘粋€通俗的類比：“就像我們享用美食，不僅要嘗到味道，還要看見它的外觀、聞到香味，多種感官協(xié)同合作才能使這件事完成得更好?！?/P>

利用光流傳感器、振動觸覺傳感器、慣性傳感器構(gòu)建傳感單元，該人造神經(jīng)可檢測視覺、觸覺、加速度等多個模態(tài)的傳感信息。對來自不同類型傳感器的信息進(jìn)行有效整合，可顯著提升運(yùn)動識別的準(zhǔn)確率（高于94%），并且實驗結(jié)果符合大腦的感知增強(qiáng)效應(yīng)。

構(gòu)建人造傳入神經(jīng)，創(chuàng)造電突觸功耗世界紀(jì)錄

運(yùn)動的感知是多種感官綜合的結(jié)果，這個過程被稱作多感官整合機(jī)制，它依賴高度并行且異步觸發(fā)的神經(jīng)元和突觸網(wǎng)絡(luò)。為了實現(xiàn)神經(jīng)元和突觸的基本功能，近年來神經(jīng)形態(tài)器件受到了該領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛關(guān)注。

然而，與大腦多感官整合機(jī)制相關(guān)的高級功能，如認(rèn)知、學(xué)習(xí)、記憶等，仍需在神經(jīng)形態(tài)器件和系統(tǒng)中得到進(jìn)一步的開發(fā)與驗證。此外，如何通過硬件層面的神經(jīng)形態(tài)器件使機(jī)器人具有與人類類似的智能行為，如認(rèn)知智能與類腦智能，也是亟待解決的難題。

2018年，由徐文濤和美國兩院院士、中科院外籍院士、斯坦福大學(xué)教授鮑哲南及韓國首爾國立大學(xué)學(xué)者共同提出的“人造傳入神經(jīng)”概念，開創(chuàng)了這一領(lǐng)域的先河。不同于以往人造神經(jīng)大多只能完成單一功能，如壓力傳感，或者是稍微復(fù)雜一點兒的視覺、味覺傳入，徐文濤團(tuán)隊研發(fā)的人造神經(jīng)運(yùn)動感知系統(tǒng)則實現(xiàn)了多種感官的整合，完成了更為綜合的信息傳導(dǎo)。

近年來，徐文濤團(tuán)隊以材料、物理、電子、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)工程等多領(lǐng)域的學(xué)科交叉為基礎(chǔ)，扎根神經(jīng)形態(tài)與柔性電子領(lǐng)域的研究，不斷取得新成果。在人造傳入（感知）與傳出（運(yùn)動）神經(jīng)設(shè)計開發(fā)方面，團(tuán)隊研制出了可對人造肌肉不同運(yùn)動方向切換控制的人造傳出神經(jīng)，結(jié)合生物神經(jīng)信息反射處理機(jī)制，搭建了人工瞳孔反射弧，并制備出視覺和觸覺并行傳入、動作指令協(xié)同傳出的人造反射弧等。

在神經(jīng)形態(tài)材料與器件制備方面，團(tuán)隊研制的基于鈣鈦礦材料的兩端突觸器件創(chuàng)造了電突觸功耗的世界紀(jì)錄。神經(jīng)細(xì)胞間的信息傳遞依托細(xì)胞釋放的神經(jīng)遞質(zhì)，某一細(xì)胞釋放的神經(jīng)遞質(zhì)與下一個神經(jīng)細(xì)胞上的受體結(jié)合。不同神經(jīng)遞質(zhì)間還存在競爭機(jī)制。團(tuán)隊制備了可以傳輸電流的雙極性突觸晶體管，神經(jīng)突觸多種神經(jīng)遞質(zhì)選擇性釋放、競爭與協(xié)同機(jī)制，實現(xiàn)對人工肌肉運(yùn)動方向的可切換控制。

實現(xiàn)類腦水平運(yùn)動感知，拓寬多領(lǐng)域智能應(yīng)用

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，對智能機(jī)器人的要求也相應(yīng)提高。《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年時提出的125個全世界最前沿的科學(xué)問題，就包括“通過計算機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)的極限是什么”。人們期待機(jī)器人能有更先進(jìn)的功能，其中也包含擁有和生物類似的感官，可以感受人對機(jī)器施加的影響，從而促進(jìn)人機(jī)交互。人造神經(jīng)運(yùn)動感知系統(tǒng)將在該領(lǐng)域作出更多貢獻(xiàn)，應(yīng)用于腦機(jī)接口、類腦芯片等。

“從本質(zhì)上講，該人造神經(jīng)模擬了哺乳動物大腦中感官線索整合的過程，并結(jié)合傳感信號的脈沖編碼方法、突觸器件的脈沖整合特性、突觸電流信號的時空識別方法，實現(xiàn)了類腦水平的運(yùn)動感知功能。”徐文濤說，該工作將神經(jīng)形態(tài)認(rèn)知智能與大腦多模態(tài)感知機(jī)制相結(jié)合，對于類腦器件、仿生電子的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義，可潛在應(yīng)用于移動機(jī)器人、智能可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互方向以及醫(yī)學(xué)、人工智能、軍事等諸多領(lǐng)域。

“今后，我們將進(jìn)一步深耕多感官整合人造神經(jīng)的研究，爭取能實現(xiàn)更復(fù)雜的感官整合和功能。未來，人們也許可以期待通過人造神經(jīng)實現(xiàn)長時記憶和短時記憶的傳入、傳出與存儲。”徐文濤說。

《中國教育報》2023年04月10日第7版