人造神經(jīng)系統(tǒng)解鎖多感官運動感知

生物是如何知道自己在運動的呢？科學(xué)研究表明，運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，該如何感知運動呢？沒有神經(jīng)系統(tǒng)的機器人又該如何感知運動呢？

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)用于移動機器人、智能可穿戴設(shè)備、人機交互等領(lǐng)域。

解碼運動感知原理，運動識別準(zhǔn)確率超94%

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

此次開發(fā)的人造運動感知神經(jīng)設(shè)計靈感，來源于獼猴多感官整合與空間感知機制?！吧宪f下跳的獼猴是運動能手，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。”徐文濤解釋道。

獼猴的自主運動會在內(nèi)耳前庭和視網(wǎng)膜中激發(fā)慣性信號與光流信號等運動信息，大腦皮層的特定區(qū)域?qū)幋a為尖峰脈沖的運動信息進行處理識別后，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)運動感知系統(tǒng)中，團隊運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行判定，實現(xiàn)運動信號的分類識別。

“除了運動信號外，其他感官的存在可以幫助運動感知更為精確?！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。”

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行有效整合，可顯著提升運動識別的準(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，徐文濤團隊研發(fā)的人造神經(jīng)運動感知系統(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（運動）神經(jīng)設(shè)計開發(fā)方面，團隊研制出了可對人造肌肉不同運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)間還存在競爭機制。團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)同機制，實現(xiàn)對人工肌肉運動方向的可切換控制。

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

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，對智能機器人的要求也相應(yīng)提高?！犊茖W(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“通過計算機進行學(xué)習(xí)的極限是什么”。人們期待機器人能有更先進的功能，其中也包含擁有和生物類似的感官，可以感受人對機器施加的影響，從而促進人機交互。人造神經(jīng)運動感知系統(tǒng)將在該領(lǐng)域作出更多貢獻，應(yīng)用于腦機接口、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)用于移動機器人、智能可穿戴設(shè)備、人機交互方向以及醫(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