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      南開大學科學家團隊開展神經形態與柔性電子領域研究——

      人造神經系統解鎖多感官運動感知

      發布時間:2023-04-10 作者:通訊員 楊欣竹 辛文忠 來源:中國教育報

      生物是如何知道自己在運動的呢?科學研究表明,運動的感知是多種感官綜合作用的結果。大腦多感官整合是將不同模態感官信息進行結合的過程,這對于許多生物完成決策、記憶和學習等任務至關重要。人類感官的形成首先由負責感受的外周神經將接收到的刺激編碼為各種信號,進而傳導至大腦皮層的中樞神經。但是,如果一個人的外周神經受損,該如何感知運動呢?沒有神經系統的機器人又該如何感知運動呢?

      近日,南開大學電子信息與光學工程學院教授徐文濤和他的神經形態與柔性電子實驗室研發出一種人造神經系統,可以實現運動感知。該系統主要由柔性人工突觸器件構成,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,國際著名學術期刊《自然·通訊》刊登了這一研究成果。南開大學電子信息與光學工程學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、仿生電子的開發具有重要的指導意義,可潛在應用于移動機器人、智能可穿戴設備、人機交互等領域。

      解碼運動感知原理,運動識別準確率超94%

      要想構建出人造神經的運動感知系統,首先要弄明白運動感知是如何通過神經形成的。

      此次開發的人造運動感知神經設計靈感,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原理,為系統的研發提供理論支持?!毙煳臐忉尩?。

      獼猴的自主運動會在內耳前庭和視網膜中激發慣性信號與光流信號等運動信息,大腦皮層的特定區域對編碼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空間感知。在人造神經運動感知系統中,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放率和突觸器件輸出電流進行判定,實現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、慣性傳感器構建傳感單元,該人造神經可檢測視覺、觸覺、加速度等多個模態的傳感信息。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確率(高于94%),并且實驗結果符合大腦的感知增強效應。

      構建人造傳入神經,創造電突觸功耗世界紀錄

      運動的感知是多種感官綜合的結果,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的神經元和突觸網絡。為了實現神經元和突觸的基本功能,近年來神經形態器件受到了該領域專家的廣泛關注。

      然而,與大腦多感官整合機制相關的高級功能,如認知、學習、記憶等,仍需在神經形態器件和系統中得到進一步的開發與驗證。此外,如何通過硬件層面的神經形態器件使機器人具有與人類類似的智能行為,如認知智能與類腦智能,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、斯坦福大學教授鮑哲南及韓國首爾國立大學學者共同提出的“人造傳入神經”概念,開創了這一領域的先河。不同于以往人造神經大多只能完成單一功能,如壓力傳感,或者是稍微復雜一點兒的視覺、味覺傳入,徐文濤團隊研發的人造神經運動感知系統則實現了多種感官的整合,完成了更為綜合的信息傳導。

      近年來,徐文濤團隊以材料、物理、電子、生命科學、醫學工程等多領域的學科交叉為基礎,扎根神經形態與柔性電子領域的研究,不斷取得新成果。在人造傳入(感知)與傳出(運動)神經設計開發方面,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,結合生物神經信息反射處理機制,搭建了人工瞳孔反射弧,并制備出視覺和觸覺并行傳入、動作指令協同傳出的人造反射弧等。

      在神經形態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造了電突觸功耗的世界紀錄。神經細胞間的信息傳遞依托細胞釋放的神經遞質,某一細胞釋放的神經遞質與下一個神經細胞上的受體結合。不同神經遞質間還存在競爭機制。團隊制備了可以傳輸電流的雙極性突觸晶體管,神經突觸多種神經遞質選擇性釋放、競爭與協同機制,實現對人工肌肉運動方向的可切換控制。

      實現類腦水平運動感知,拓寬多領域智能應用

      隨著人工智能技術的發展,對智能機器人的要求也相應提高?!犊茖W》雜志在創刊125周年時提出的125個全世界最前沿的科學問題,就包括“通過計算機進行學習的極限是什么”。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。人造神經運動感知系統將在該領域作出更多貢獻,應用于腦機接口、類腦芯片等。

      “從本質上講,該人造神經模擬了哺乳動物大腦中感官線索整合的過程,并結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,實現了類腦水平的運動感知功能?!毙煳臐f,該工作將神經形態認知智能與大腦多模態感知機制相結合,對于類腦器件、仿生電子的開發具有重要的指導意義,可潛在應用于移動機器人、智能可穿戴設備、人機交互方向以及醫學、人工智能、軍事等諸多領域。

      “今后,我們將進一步深耕多感官整合人造神經的研究,爭取能實現更復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實現長時記憶和短時記憶的傳入、傳出與存儲?!毙煳臐f。

      《中國教育報》2023年04月10日第7版 

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