新型自修复人造"痛觉神经"或使人形机器人具备类人反射

这款基于柔性忆阻器的传感器能模拟生物神经如何感知、记忆并从损伤中恢复。

中国东北师范大学的研究人员开发出一种柔软果冻状的新型电子"痛觉神经"，有望赋予机器人类似人类的反射能力。研究人员解释称，这些"神经"能感知不同强度的压力，而非简单的开关式触发。

更值得注意的是，这些神经在"受损"后会变得更为敏感。随着时间推移，在"愈合"过程中，神经会逐渐平静下来，敏感性随之降低。

令人印象深刻的是，新型电子神经在受损后能进行物理性自我修复。理论上它们还可用于触发反射动作，例如让肢体远离"疼痛"源。

从这个意义上说，这些神经的行为模式与生物疼痛反应高度相似，其仿生程度甚至超越了以往开发的同类机器人传感器。

目前大多数机器人传感器本质上是二进制的，即只能感知接触与否。它们通常还是无状态的，意味着在检测到疼痛后会立即"遗忘"。

有感知机器人的崛起

这类传感器往往也很脆弱，任何损伤通常意味着需要整体更换。而人类神经能够对疼痛程度进行"编码"，受伤后会在一定时间内保持高度敏感状态，随后才逐渐恢复正常——尽管这个过程相当缓慢。

所有这些机制意味着人体能为受损组织提供保护。因此，新型机器人"神经"试图通过硬件而非软件来复制这种行为。

这项突破的关键在于忆阻器。这种电子元件的电阻特性取决于其过往经历，这与神经元记忆过往刺激、疼痛敏感性取决于历史经验的特性不谋而合。然而大多数忆阻器只能在两种状态间切换（即开或关）。

研究团队采用的新型忆阻器则拥有16个稳定等级，类似调光开关与普通灯开关的区别。每个等级代表从无痛到轻度、中度、重度等不同疼痛强度。

此外，研究团队还巧妙利用了明胶（胶原蛋白中的同种蛋白质）。这是绝佳的选择，因为明胶能像生物体一样传导离子，在受热时可自然愈合，其化学基团还能引导离子有序运动。研究人员解释称，这使得镁离子等得以移动并形成微小的导电路径。

小鼠实验验证

这些路径按可预测的步骤形成，为忆阻器提供了16个疼痛等级。该设计使压力传感器能将物理力转化为电流，进而触发肌肉激活等反应。

研究团队甚至将新型神经连接至小鼠坐骨神经进行测试，发现传感器能像自然反射弧（无需大脑参与）一样触发小鼠的肌肉反应。

与生物体的不同之处在于明胶的愈合方式：需要暴露在60°C环境中实现重新结合。这对生物体不安全，但对机器人完全可行。

这项发现本质上并非为了让机器人感受疼痛，更多是着眼于提升工程安全性与耐用性。例如可用于帮助机器人在运行中进行自我保护，甚至可能让机器人像人类幼儿那样"学会"识别触摸危险物。理论上也可集成至假肢中，使其能按比例响应用户动作。

这项研究已发表于《先进功能材料》期刊。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！