近日，韓國成均館大學(xué)Nae-Eung Lee研究團隊在《Nature Materials》期刊發(fā)表了一項突破性研究，成功開發(fā)出具有內(nèi)置突觸功能的仿生人工機械感受器（ASMRs），為智能觸覺皮膚的實現(xiàn)提供了新范式。該技術(shù)通過模擬人類觸覺傳入系統(tǒng)的信號預(yù)處理機制，顯著提升了觸覺識別的效率和準確性，未來有望應(yīng)用于神經(jīng)機器人、可穿戴設(shè)備和自主系統(tǒng)等領(lǐng)域。
研究背景：觸覺感知的仿生挑戰(zhàn)
人類的觸覺感知依賴于皮膚中的機械感受器（如緩慢適應(yīng)的默克爾細胞和快速適應(yīng)的帕西尼小體），這些感受器通過突觸樣連接與傳入神經(jīng)元交互，對觸覺信號進行預(yù)處理（如過濾、適應(yīng)和記憶）。然而，現(xiàn)有的人工觸覺系統(tǒng)多局限于模擬“傳感”功能，而忽略了生物觸覺器官在受體層面的信息處理能力。研究團隊的目標是開發(fā)一種集傳感、適應(yīng)和記憶功能于一體的仿生觸覺系統(tǒng)。
圖1.人類和人工觸覺感知的比較。
技術(shù)突破：人工突觸機械感受器的設(shè)計與實現(xiàn)
研究團隊通過垂直集成多個功能層，構(gòu)建了包含16個單元（8個SA型和8個FA型）的柔性人工機械感受器陣列。其核心創(chuàng)新包括：
1.離子凝膠柵介質(zhì)與還原氧化石墨烯晶體管：利用離子凝膠（PU/[EMIM][TFSI]）的離子遷移特性調(diào)控晶體管的導(dǎo)電性，模擬突觸可塑性。
2.摩擦電容效應(yīng)驅(qū)動信號生成：彈性體指紋狀感受層在觸覺刺激下產(chǎn)生摩擦電勢，通過離子凝膠調(diào)控晶體管的興奮性突觸后電流（EPSC），分別實現(xiàn)SA型（持續(xù)響應(yīng)）和FA型（瞬時響應(yīng)）信號輸出。
3.低功耗與高適應(yīng)性：單次觸覺刺激的功耗僅為納瓦級，且通過調(diào)整離子凝膠成分（如PU濃度）可靈活調(diào)控突觸記憶強度和響應(yīng)速度。
圖2.突觸 rGO-FET 突觸特性的表征。
圖 3 |ASMR 在觸覺過程中的結(jié)構(gòu)、機制和突觸特性 刺激。
應(yīng)用驗證：高效觸覺識別與機器學(xué)習(xí)融合
研究團隊通過三類實驗驗證了ASMRs的實用性：
1.手寫風格識別：通過分析突觸強度（SS）的時間序列數(shù)據(jù)，準確追蹤字符書寫順序，分類準確率達97.8%。
2.表面圖案區(qū)分：對四種振動模式（平面、凹凸、金字塔、方形）的分類中，融合SA/FA信號的機器學(xué)習(xí)模型平均準確率高達96.56%，遠超單一信號模型（SA：84.62%，F(xiàn)A：89.18%）。
3.復(fù)雜紋理識別：在16種不同材質(zhì)（棉、尼龍、皮革等）的分類任務(wù)中，融合信號模型的準確率提升至90.78%，數(shù)據(jù)利用率僅為原始信號的10.6%，顯著降低了計算負載。
圖4.具有內(nèi)置突觸功能的 ASMRs 陣列的應(yīng)用。
未來展望：邁向邊緣AI與智能交互
該研究不僅為仿生觸覺系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)，還展示了其在邊緣人工智能（Edge AI）中的潛力。團隊計劃進一步優(yōu)化器件的連接性、適應(yīng)性和便攜性，以拓展其在神經(jīng)機器人、智能假肢和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。論文通訊作者李內(nèi)應(yīng)教授表示：“這項技術(shù)將推動觸覺感知從‘被動傳感’向‘智能處理’跨越，為下一代人機交互打開新可能?！?/p>
來源：高分子科學(xué)前沿
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