中國科學院寧波資料所在仿生痛覺傳感系統研究方面取得進展

最近,中國科學院寧波資料科技與工程研究所李潤偉研究團隊圍繞仿生痛覺感測器開展了系列研究工作。

智能化、類人化、柔性化是未來機器人發展的重要趨勢。人形機器人,尤其是具備人工智慧算灋功能的人形機器人,不僅可以在日常生活中用於個人協助和護理,而且可以在危險任務中用於蒐索和救援等。機器人的感知系統能够從外界收集數據,並根據外界環境的變化做出不同的響應,這對於提高機器人的服務質量和壽命是至關重要的。其中,痛覺感受器是一類重要的感測器,它可以識別來自於外界溫度、壓力等極端條件的潜在危險,並產生預警信號(動作電位)傳遞到中樞神經系統,從而觸發保護反射動作規避一些傷害,將潜在的物理傷害降至最低。

對於觸覺系統,當外界施加有害壓力時,人體皮膚內的痛覺感知系統能够及時檢測到有害刺激,並指導人體做出進一步的規避條件反應。這種保護機制並不是簡單的迴響調節,而是由神經中樞控制形成的具有多種工作模式的智慧機制。對於視覺系統,到達視網膜的可見光是產生視覺感知所必不可少的,但是其中超過傷害閾值的光線很容易對眼睛造成損害。人眼的光痛覺感測器在保護視覺系統免受光損傷的過程中發揮了關鍵作用,强光可以誘導眼睛發生眼瞼閉合、瞳孔收縮等保護性自主反射,防止視網膜損傷。對於未來人形機器人的精密電子皮膚和視覺系統,我們有必要發展出一套仿生的痛覺感知器件和系統,在提高其服務質量和壽命的同時,形成更加友好的人機交互。

最近,中國科學院寧波資料科技與工程研究所李潤偉研究團隊圍繞仿生痛覺感測器開展了系列研究工作。首先,選用高功函數的導電金屬Pt作為底電極,選用富含缺陷的光敏電晶體CeO2-x作為介質層,選用低功函數的透明導電資料ITO作為頂電極,構建了Pt/CeO2-x/ITO的“三明治”器件結構。該器件直接以可見光作為輸入信號,具有與人眼光痛覺感測器高度相似的工作方式。測試結果表明,由於上下電極功函數不匹配所產生的內建電場,可以使器件在自供電模式下進行工作。通過改變外加光脈衝的强度、持續時間和頻率,利用光生載流子在介質層缺陷態中的捕獲和釋放過程,可以在單個器件單元中實現痛覺感測器的四大關鍵内容,即閾值、非適應、弛豫和痛覺敏化。此外,由於人眼感受的主要是相對亮度,在不同的亮度背景下,光痛覺感測器的傷害閾值大小不同(如圖1所示)。實驗發現,當在頂電極與底電極之間施加外加電壓並進行光照時,通過調節外加電壓的方向與大小,可以實現對器件傷害閾值的調控。相關結果為構建智慧視覺假體,人造眼球以及類人機器人等提供了資料和科技儲備,近日發表在Nanoscale期刊上(A visible light-triggered artificial photonic nociceptor with adaptive tunability of threshold,https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2021/nr/d0nr07297d),並申請國家發明專利1項(一種仿生光痛覺感測器及其應用,202010498960.0)。

電子皮膚的痛覺感知能力賦予了其在複雜現實環境中工作的能力。受人體皮膚痛覺感知系統的啟發,該團隊採用仿生設計,製備了能够像人體一樣具有多種工作模式的痛覺感知系統,為電子皮膚提供有效的保護。首先利用液態金屬顆粒膜“受傷”(機械刻劃)時獨特的電學特性,仿製了能够實現“傷口”感知和定位的痛覺感受器,進一步結合壓力感測器和仿神經突觸,實現了痛覺的多種工作模式,包括受傷前基於壓力感測器實現了傷害性訊號的預警、受傷時的精確定位功能,受傷後通過調整仿神經突觸的電阻狀態實現了敏化機制的類比,該機制也可以像人體受傷後的皮膚一樣使得傷口周圍的敏感性增强,輕微的觸摸就可以引發疼痛訊號的產生,囙此可以有效促進傷口的修復和規避二次傷害。最後利用仿神經突觸電阻訊號的時間衰變特性,模仿了敏化機制的衰减(如圖2所示)。

上述工作以“Bio-inspired multi-mode pain-perceptual system(MMPPS)with noxious stimuli warning,damage localization and enhanced damage protection”為題發表在Advanced Science上(DOI: 10.1002/advs.202004208)。該工作首次實現了對人體痛覺感知機制比較全面的模仿,未來有望集成在電子皮膚上同時實現痛覺感知、損傷預警和傷口修復的功能。

上述工作得到國家重點研發計畫、國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、寧波市科技創新團隊以及寧波市自然科學基金等專案資助。

圖1(a)人眼光痛覺系統的工作原理示意圖;(b)Pt/CeO2-x/ITO器件的閾值特性;(c)Pt/CeO2-x/ITO器件的弛豫特性;(d)閾值調節特性

圖2(A-C)人體的痛覺感知系統的工作機理示意圖,(D-F)仿生痛覺傳感系統的工作機理示意圖

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