前沿 | 碰疼了会躲！这个植入“迷你大脑”的AI机器人，可感知疼痛，还能自我愈合

人类为什么会产生痛觉？

没错，是因为大脑中枢神经。和触觉、温度等感觉一样，我们对疼痛非常敏感，当受到外界“轻微”刺激时，体内的神经元产生相应的信号，并传输至大脑中的中枢神经系统，让我们产生痛感。

借助这一反应机制，如果给机器人植入一个“大脑”，是否也可以让它感知疼痛？

对于这个疑问，南洋理工大学(NTU Singapore)的科学家们给出了肯定回答。最近，他们通过一种启发大脑的方法，为机器人开发了一个“迷你大脑”，可以让它敏感地识别“疼痛”。

不过，光是识别疼痛还不够。

就像我们的手指不小心划破一个口子，不需要专业医护人员来处理一样。机器人“受伤”后，也需要进行“自我修复”。

而这项功能同样被NTU团队的最新研究攻破了，他们所研发的“迷你大脑”，可以让机器人像人类一样感知外界施加的“疼痛，并修复轻微损伤，不需要人工干预。

在展示Demo中，研究人员“捏”了一下机器人的触角，机器人立即采取了躲避措施，说明它感知到了外界的刺激。

这一反应是如何实现的呢？

如果让机器人能够识别外界刺激，首先它需要一层覆盖全身的“皮肤”，而这个皮肤就是传感器系统。

但需要注意的是，传感器并不处理信息，这意味它需要依靠外界的辅助设备来充当“神经元”。在现有研究中，通常是将传感器信号，发送到外界一个大型的中央处理器上集中处理。

而这种方法也带来了布线复杂、延迟低、维护难等问题。

为此，研究人员研发研制了一种忆阻晶体管，它是一种“类脑”电子设备，能够对信息进行记忆和处理。他们将这种忆阻晶体管内置于卫星阈值调整接收器（ Satellite Threshold Adjusting Receptors，STARs）中，并提出了将其与传感器相结合的方法。

STARs接收器对伤害性信号的处理过程

在传感器节点的网络中，这些多个较小的、功能较弱的处理单元与传感器节点相连接，通过对信息的实时处理，降低了布线复杂性，同时提高了容错率和延时问题。

而这些处理单元就像分布在机器人皮肤上的“迷你大脑”。研究人员介绍称，

相比于传统集中式的处理方法，这种分散式系统使机器人的布线数量和响应时间减少了5到10倍。

 在分布式系统中，每个处理单元通过传感器元件来处理压力信号，STARs负责接收局部伤害或疼痛信号，而SWARM负责建立多重信号与突触神经元（Satellite Spiking Neurons，SSNs）之间建立关联。

其中，SWARM是一种卫星重量调节电阻存储器（Satellite Weight Adjusting Resistive Memories），主要用来模拟生物突触信号。

当检测到与有害刺激相关的纹理时，SWARM会调制神经元的放电速率，并触发“躲避”反应，避免潜在的身体伤害。

在Demo中，研究人员拔掉了机器人的电极线来代表受到的外界损伤。

然后，对机器人的触角施加压力，可以看出，它同样做出了躲避的反应。

这说明，机器人完成的自我修复，并能够恢复正常工作。

事实上，机器人的自我修复功能，在现实应用场景中非常重要。比如，机器人常常用来解救灾难中的受伤人员。他们利用摄像头和传感器在废墟下找到幸存者，然后在触摸传感器的引导下将人员拉出。

在这个过程中，如果机器人受到外界撞击，将失去机械功能，无法正常进行救援工作。

那么，实验中的机器人是如何完成损伤修复的？研究人员介绍，他们在STARs和SWARMs中注入了一种自我修复离子凝胶，当机器人受到利器“刺伤”后，凝胶中的分子开始相互作用，能够将机器人的“伤口”缝合在一起，进而在保持高反应能力的同时恢复其功能。

这种离子凝胶设计的基本理念是将电极，可拉伸的聚合物与离子液体结合在一起。离子-偶极子（ion–dipole）相互作用，可以增加聚合物上带电离子和极性基团之间的作用力，并且随着离子电荷或分子极性的增加而增加。

在聚合物中加入高离子强度的离子液体后，会产生两种效果：

• 一是离子液体将聚合物塑化，使其玻璃转化温度(Glass Transition Temperature, Tg)大大低于室温。

• 二是离子-偶极子相互作用促进了聚合物链的扩散，使得聚合物能够在室温下自行修复。

大多数可修复系统只依赖于分子间的强相互作用，然后，需要手工重新连接聚合物的两端，与此相反，研究人员利用离子、液体、聚合物三者之间的组合，降低玻璃化转变温度，进而使聚合物能够通过分子间的相互作用将自身缝回一起。

不过，这种修复功能还仅限于“轻微”的机械伤害。

但研究人员Nripan Mathews教授也表示，在这项工作中，我们团队采取了一种非常规的方法，通过模仿人类的生物学反应机制，研发出了一种类似于大脑的神经处理系统。虽然还处于原型阶段，但我们的发现为智能感知系统开辟了一种新的路径。