可感知传入视觉和触觉信息并控制传出的人工肌肉动作反射弧|南开大学徐文涛教授团队新进展

‎人工感觉和运动神经系统适用于替代残疾人受损的神经，增强人类的感觉和运动功能，并为兼容的人机界面和神经机器人提供解决方案。‎为了在真实环境中感知信息刺激，人工外围系统必须能够检测输入，将它们编码成模仿动作电位的尖峰信号，传输信号，与突触处理单元接口，然后发送命令以诱导电机系统做出反应。以前关于人工神经系统的报告使用过微型计算机或环形振荡器编码触觉感觉信息。然而，与传入感觉输入和传出运动控制的突触连接相结合形成完全反射电弧的报道较少。此外，为了进一步使系统适用于生物集成应用，自供电突触处理单元具有吸引力，因为它们降低了系统的能耗。多感官信息感知可以建立对环境的准确描述，因此多模态融合可以提高识别和分类以及环境交互的准确性。因此，为了形成具有多种感觉模态编码的完整感觉到运动通路，需要一个展现外周功能的全反射弧。‎

‎神经感知和动作启发的电子产品对于交互式人机界面和智能机器人变得越来越重要，需要一个实现神经形态环境信息编码，突触信号处理和运动控制的系统。南开大学徐文涛教授团队提出了一种人工反射弧，能够感知视觉和触觉信息，通过使用自供电光电钙钛矿（PSK）人工突触处理这些信号，并控制人造肌肉动作以响应环境刺激（图1）。

图1  生物神经系统中的感觉和运动通路以及神经形态信号的传递

受生物神经系统中的感觉和运动通路的启发，人工反射弧通过将自供电光电突触与前端传感器和后端人工肌肉集成，由视觉和躯体感觉双重传入神经通路和传出神经通路组成（图2）。

图2 ‎编码视觉和躯体感觉刺激信息

视觉和躯体感觉信息被编码成动作电位频率相似的脉冲峰值，峰值频率表现出对障碍物接近或压力刺激的亚线性依赖性。反射弧控制人造肌肉纤维的收缩，以响应来自视觉或躯体感觉通路的刺激。‎

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图3  对运动神经元进行光学刺激模拟‎

人工反射弧可以改善人类或神经机器人与外部环境之间的相互作用。该设计为未来的神经机器人，神经接口和人工假体提供了新的途径。

徐文涛，南开大学电光学院教授，博士生导师。国家杰青，国家海外高层次青年人才，天津市海河英才计划领军人才，天津市杰青。近年来研究兴趣主要在神经形态电子材料与器件与柔性电子领域，涉及材料、化学、物理、电子、仿生多学科交叉。

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