觸覺(jué)感知依賴于傳感，加工和學(xué)習(xí)的全面活動(dòng)，這極大地影響了我們與外部環(huán)境的相互作用。生理上，觸覺(jué)刺激由嵌入皮膚的感覺(jué)神經(jīng)元上的受體檢測(cè)。信號(hào)沿著長(zhǎng)鏈的傳入軸突發(fā)送到突觸使突觸后神經(jīng)元可以進(jìn)一步處理。神經(jīng)元通過(guò)集成和調(diào)制同步觸覺(jué)刺激和異步觸覺(jué)刺激，以在動(dòng)作/感知循環(huán)中獲得觸感的多級(jí)特征（圖1a），這成為觸覺(jué)感知的基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)踐和/或培訓(xùn)，習(xí)得專業(yè)知識(shí)可以進(jìn)一步提高觸覺(jué)感知能力，這使得我們能夠精確地感知并對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的事件做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。因此，賦予機(jī)器人和假肢以這種感知學(xué)習(xí)能力可以延伸他們的認(rèn)知和適應(yīng)能力。為了達(dá)到這個(gè)目的，需要研發(fā)具有知覺(jué)學(xué)習(xí)能力的人工感覺(jué)神經(jīng)元。

過(guò)去已經(jīng)有人提出通過(guò)集成傳感和處理元件來(lái)模擬感覺(jué)神經(jīng)元。例如，在通過(guò)集成阻變器件與電阻式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了觸覺(jué)記憶。雖然這種設(shè)計(jì)能夠在觸摸撤去后仍保留觸摸信息，但它不能直接區(qū)分觸覺(jué)的模式。最近有人提出用一種由基于晶體管的壓力傳感器和電解質(zhì)作柵介質(zhì)的突觸晶體管組成的器件來(lái)區(qū)分觸摸速率。雖然這種器件能夠區(qū)分觸覺(jué)模式，但該器件缺乏識(shí)別和認(rèn)知所需的學(xué)習(xí)能力。因此，在設(shè)備/系統(tǒng)級(jí)別實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)能力對(duì)于強(qiáng)健的、具有容錯(cuò)性的觸覺(jué)刺激處理非常必要。此外，在現(xiàn)有觸覺(jué)仿生器件上增加學(xué)習(xí)能力最終將為機(jī)器或系統(tǒng)提供人工智能，以使他們能夠復(fù)制人的“認(rèn)知”功能。

近日，南洋理工大學(xué)陳曉東教授課題組（通訊作者）聯(lián)合中科院寧波材料所竺立強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊 Advanced Materials上發(fā)表 “An Artificial Sensory Neuron with Tactile Perceptual Learning”的論文，第一作者是萬(wàn)昌錦博士。皮膚內(nèi)的感覺(jué)神經(jīng)元形成外部物理現(xiàn)實(shí)與內(nèi)部觸覺(jué)感知之間的接口。這個(gè)接口使得我們通過(guò)知覺(jué)學(xué)習(xí)來(lái)組織、辨別和理解感官信息。知覺(jué)學(xué)習(xí)–即通過(guò)學(xué)習(xí)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)來(lái)提升感知能力的過(guò)程。這個(gè)工作提出了一種人造觸感神經(jīng)元，它可以通過(guò)整合和區(qū)分所觸摸圖案的時(shí)空特征來(lái)進(jìn)行智能識(shí)別。該系統(tǒng)包括傳感，傳輸和處理部件，分別與感覺(jué)神經(jīng)元中主要部件相對(duì)應(yīng)。其中，電阻式壓力傳感器將壓力刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，軟的離子導(dǎo)體通過(guò)界面離子/電子耦合把該電信號(hào)傳輸至突觸晶體管。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)施機(jī)器學(xué)習(xí)方法，該神經(jīng)元的識(shí)別錯(cuò)誤率可以從44％顯著降低至0.4％。這項(xiàng)工作設(shè)計(jì)和使用神經(jīng)形態(tài)電子皮膚，將向人工智能機(jī)器人和假肢邁進(jìn)了一步。

研究人員展示一個(gè)模擬觸感神經(jīng)元的神經(jīng)形態(tài)觸覺(jué)處理系統(tǒng) （neuromorphic tactile processing system），并命名為NeuTap。它能夠模擬感覺(jué)神經(jīng)元并且能夠?qū)嵤┲X(jué)學(xué)習(xí)。在他們的設(shè)計(jì)中，感受器、軸突和處理感覺(jué)信息的突觸分別由電阻式壓力傳感器，離子電纜和突觸晶體管所模擬（圖1b）。壓力傳感器將壓力刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，離子電纜通過(guò)界面離子/電子耦合將電信號(hào)傳輸至突觸晶體管。突觸晶體管然后根絕刺激模式的不同產(chǎn)生特定的衰減特性。此外，該設(shè)計(jì)提供了一種事件驅(qū)動(dòng)的方法，即利用外部刺激來(lái)激活突觸器件。證明了NeuTap能夠通過(guò)提取時(shí)空相關(guān)的觸覺(jué)特征來(lái)識(shí)別觸覺(jué)模式，同時(shí)能夠通過(guò)在系統(tǒng)中實(shí)施感知學(xué)習(xí)來(lái)提高這個(gè)識(shí)別能力。

a）示意圖說(shuō)明在動(dòng)作感知循環(huán)中由觸覺(jué)感覺(jué)神經(jīng)元對(duì)觸覺(jué)模式的空間和時(shí)間特征的整合。 b）與NeuTap（底部）相比感覺(jué)神經(jīng)元（頂部）。 c）圖解說(shuō)明NeuTap的細(xì)節(jié)。

NeuTap原型與生物感覺(jué)神經(jīng)元相似，由軟的離子電纜把傳感元件和處理元件隔開。這種分離可能有利于抑制兩個(gè)組件之間的串?dāng)_，并為系統(tǒng)賦予可拉伸性。詳細(xì)的原理圖如圖1c所示。電阻式壓力傳感器由兩層組成（圖1c）：構(gòu)成壓敏層的頂層，其是用碳納米管（CNT）涂覆的具有金字塔形的聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）;和底部的一個(gè)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）為襯底，沉積用于檢測(cè)電阻變化的金叉指電極。圖2a顯示了傳感器響應(yīng)不同施加壓力時(shí)的電阻變化，其中電阻隨壓力增加而顯著下降，并且該傳感器的靈敏度在低壓力范圍（0.1-1kPa）顯示逐漸衰減特性。離子電纜包括兩個(gè)連接到壓力傳感器上叉指電極兩端的離子導(dǎo)體聚乙烯醇（PVA）為導(dǎo)線。 PVA具有較高的斷裂應(yīng)變和良好的離子電導(dǎo)率，適用于軟離子導(dǎo)線。 PDMS被用作PVA基離子導(dǎo)體的絕緣和封裝材料。圖2b所示的PVA層的Cole-Cole圖顯示了一個(gè)理想的半圓形，這表明理想的Debye型行為。PVA層的離子電導(dǎo)率約為3×10^-3 S cm^-1。而且，即使在高達(dá)≈40％的拉應(yīng)變下，離子電纜仍能保持良好的導(dǎo)電性。在突觸晶體管側(cè)，一條PVA導(dǎo)線連接金電極（VDD）以提供電壓，另一條PVA導(dǎo)線覆蓋在銦 - 鎢 - 氧化物（IWO）溝道上并充當(dāng)柵極電介質(zhì)。圖2c顯示PVA為柵介質(zhì)的IWO晶體管五次的傳輸曲線，表明其典型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能。 VGS的掃描速率為0.05 V s^-1，采樣頻率為1 Hz。實(shí)現(xiàn)<10 nA的低漏電流，說(shuō)明PVA柵介質(zhì)具有良好的絕緣性能。

a）圖表顯示對(duì)傳感器施加不同壓力時(shí)電阻和靈敏度的變化。插圖：壓力傳感器的數(shù)字圖像。

 b）PVA層的Cole-Cole圖顯示完美的半圓形。插圖：離子電纜的數(shù)字圖像。

 c）示出五次VDS = 1.5V的PVA柵控IWO晶體管的傳輸特性的圖。插圖：PET基片上晶體管的數(shù)字圖像。 

d）當(dāng)兩個(gè)連續(xù)的時(shí)間間隔（ΔT）為200ms的電壓脈沖（-1.5V，10ms）施加在柵極上時(shí)，突觸式晶體管的PPF仿真顯示兩個(gè)電流峰值。插圖：作為時(shí)間間隔（ΔT：從20到500毫秒）的函數(shù)的兩個(gè)電流峰值之間的比率圖。

顯示兩個(gè)空間獨(dú)立的刺激整合的示意圖：a）兩個(gè)刺激（紅色圓圈）表示可以激發(fā)感覺(jué)神經(jīng)元并增強(qiáng)神經(jīng)元活動(dòng)的反應(yīng); b）一個(gè)刺激可以激發(fā)（紅色圓圈），而另一個(gè)可以抑制（藍(lán)色圓圈）感覺(jué)神經(jīng)元活動(dòng)并加速?gòu)牡谝淮未碳せ謴?fù)。 c）示出具有兩個(gè)壓力傳感器的NeuTap神經(jīng)元的器件結(jié)構(gòu)圖。 d）顯示傳感器2對(duì)具有VDD1電壓掃描的IWO晶體管的傳輸曲線的調(diào)制效應(yīng)的圖。 e）當(dāng)單獨(dú)按下傳感器1和傳感器2時(shí)（情況I和情況II）以及當(dāng)同時(shí)按下兩個(gè)傳感器（情況III）時(shí)，繪制顯示當(dāng)前響應(yīng)的電流響應(yīng)，其中VDD1 = VDD2 - 1.0 V. f）VDD1 = -1.0 V和VDD2 = 0.5 V的兩個(gè)傳感器的電流積分。情況I：在開始時(shí)用手指觸摸傳感器1（紅色箭頭）觸發(fā)。情況二：在傳感器2上觸摸五次（藍(lán)色箭頭）。灰色區(qū)域表示所有情況下的觸摸動(dòng)作，電流的測(cè)量值為VDS = 1.5 V.

a）顯示手指上的NeuTap的數(shù)字圖像（左）以及觸感圖案組合及其相應(yīng)的二位二進(jìn)制代碼標(biāo)簽（右）的示意圖。比例尺是1厘米。 

b）顯示NeuTap對(duì)三種觸感圖案組合的典型響應(yīng)。另外兩種類型用淡色曲線作為比較。電導(dǎo)率用VDD = -1.0V測(cè)量。

c）說(shuō)明實(shí)施知覺(jué)學(xué)習(xí)仿真的機(jī)器學(xué)習(xí)方法的示意圖。 

d）繪圖顯示了四組訓(xùn)練數(shù)據(jù)的RI。每個(gè)圖案對(duì)都用淺色線條顯示。綠色虛線點(diǎn)線代表標(biāo)簽邊界。模式“00”由RI <10％定義。 

e）將識(shí)別錯(cuò)誤率繪制為關(guān)于學(xué)習(xí)次數(shù)的函數(shù)。黑色方塊是測(cè)量數(shù)據(jù)，紅色線是擬合曲線。

圖4b中的電導(dǎo)數(shù)據(jù)為NeuTap對(duì)不同觸覺(jué)圖案響應(yīng)的特征曲線，它們被用作示例測(cè)試數(shù)據(jù)集來(lái)測(cè)試識(shí)別能力?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)算法，根據(jù)歷次的特征曲線可以得到分類圖案的邊界。結(jié)果表明，習(xí)得的邊界是有效的，并且可以用于在移動(dòng)觸摸動(dòng)作之后立即識(shí)別未標(biāo)記的數(shù)據(jù)，這使得機(jī)器人的“大腦”能夠優(yōu)先處理更緊急和重要的任務(wù)。然而，對(duì)于新的識(shí)別任務(wù)來(lái)說(shuō)，“學(xué)到的界限”并不總是沒(méi)有差錯(cuò)的。響應(yīng)于同一個(gè)的圖案，由于操作誤差使得每次輸出之間存在一定程度的差異，這可能會(huì)導(dǎo)致一定程度的誤判。這個(gè)工作中，錯(cuò)誤率是通過(guò)比較每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的學(xué)習(xí)邊界和新數(shù)據(jù)集來(lái)計(jì)算的。例如，第一次學(xué)習(xí)可以觀察到約44％的錯(cuò)誤率，如圖4e所示。這是因?yàn)榱?xí)得的邊界僅基于一個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集獲得，對(duì)于新數(shù)據(jù)集的測(cè)試會(huì)產(chǎn)生較大誤差。。我們?cè)趫D4e中的結(jié)果顯示了通過(guò)增加學(xué)習(xí)時(shí)間逐漸衰減的錯(cuò)誤率趨勢(shì)，并且在六次學(xué)習(xí)中實(shí)現(xiàn)了非常低的≈0.4％的錯(cuò)誤率。這是因?yàn)檩敵鲎兓姆秶S著多次測(cè)試而變得更穩(wěn)定，因此經(jīng)過(guò)多次訓(xùn)練后，邊界可能會(huì)更加準(zhǔn)確。因此，NeuTap的識(shí)別能力可以通過(guò)重復(fù)訓(xùn)練來(lái)提高，這與知覺(jué)學(xué)習(xí)過(guò)程相似。由于給定對(duì)象的表面可能由平面和凸起圖案的各種組合組成，因此這種方法可推廣到識(shí)別更復(fù)雜的圖案，比如盲文識(shí)別等。

研究人員研發(fā)的NeuTap神經(jīng)元由電阻式壓力傳感器，離子電纜和突觸晶體管組成，具備生物感覺(jué)神經(jīng)元的基本形態(tài)和相似功能。NeuTap神經(jīng)元可以整合和調(diào)節(jié)時(shí)空相關(guān)的觸覺(jué)刺激，實(shí)現(xiàn)并行的感覺(jué)信號(hào)處理。觸覺(jué)圖案的特征因此可以被這樣的系統(tǒng)集成和提取以用于模式識(shí)別。更重要的是，通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練可以提高識(shí)別的準(zhǔn)確性，證明了與感知學(xué)習(xí)過(guò)程非常相似。該系統(tǒng)可能與神經(jīng)形態(tài)網(wǎng)絡(luò)集成在一起，用于復(fù)雜的識(shí)別/決策活動(dòng)，為腦機(jī)界面提供指導(dǎo)。此外，由神經(jīng)形態(tài)部件呈現(xiàn)的并行計(jì)算性質(zhì)將可以潛在用于集成多種感官反饋（例如，視覺(jué)和本體感受）以深度地、全面地提升機(jī)器人、假體的精巧性。

電氣特性：對(duì)于壓力感應(yīng)，施加壓力并通過(guò)電動(dòng)垂直測(cè)試臺(tái)（Mark-10 ESM301）與測(cè)力計(jì)（Mark-10 M5-2）組合測(cè)量。用Solartron 1260A阻抗/增益 - 相位分析儀表征PVA膜的阻抗測(cè)量結(jié)果。晶體管的電學(xué)測(cè)量和觸覺(jué)圖案識(shí)別是在半導(dǎo)體參數(shù)表征系統(tǒng)（Keithley 4200 SCS）上在室溫下在屏蔽暗盒中進(jìn)行的。其他實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)可以在支持信息中找到。

作者感謝國(guó)家研究基金會(huì)（NRF），總理辦公室，新加坡NRF調(diào)查機(jī)構(gòu)（NRF2016NRF-NRF1001-21）和新加坡教育部（MOE2014-T2-2-140，MOE2017-T2- 2-107）。

陳曉東（通訊作者），新加坡南洋理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授。主要從事可程序化材料在能源的轉(zhuǎn)化、柔性電子器件、以及納米生物界面等方面的工作。研究成果在國(guó)際知名學(xué)術(shù)刊物發(fā)表SCI 論文近230余篇，他引超過(guò)12000次，多次被BBC，人民日?qǐng)?bào)，New Scientists，Nanowerk，Materialviews等亮點(diǎn)報(bào)道。目前擔(dān)任Nanoscale期刊的副主編和Nanoscale Horizons的科學(xué)編輯，并擔(dān)任Advanced Materials, Scientific Reports,以及Journal of Laboratory Automation等期刊的編委會(huì)成員。獲得Small青年科學(xué)家創(chuàng)新獎(jiǎng)、新加坡國(guó)立研究基金會(huì)研究員獎(jiǎng)、Lubrizol青年材料科學(xué)家獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

竺立強(qiáng)（共同通訊作者），中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員。主要從事氧化物薄膜晶體管、人造突觸器件等相關(guān)方面的研究工作。在Nature Communications, Progress in Materials Science, ACS Applied Materials and Interfaces, Nanoscale, Applied Physics Letters, IEEE Electron Device Letter等期刊上發(fā)表SCI論文80多篇，參與編寫英文專著一部(WILEY出版社出版)。獲得“中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員”、“浙江省杰出青年科學(xué)基金”、“浙江省151人才”、“寧波市領(lǐng)軍拔尖人才”等榮譽(yù)。

萬(wàn)昌錦博士（第一作者），于2016年加入陳曉東教授課題組，從事博士后研究。研究課題主要圍繞神經(jīng)形態(tài)功能器件、柔性/可穿戴醫(yī)療器件等方面展開。主要成果在Advanced Materials, Nature Communications, Applied Physics Letters, IEEE Electron Device Letter等雜志發(fā)表論文30多篇。相關(guān)工作被Materials Views China 和 Science Foundation in China等亮點(diǎn)報(bào)道。曾獲得國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、中科院院長(zhǎng)獎(jiǎng)、中科院優(yōu)秀博士論文、Springer Theses Award等榮譽(yù)。

陳曉東團(tuán)隊(duì)于2015年受到神經(jīng)系統(tǒng)在刺激傳感、信號(hào)處理機(jī)制的啟發(fā)，提出傳感 處理仿生功能器件的概念，并首次在單個(gè)集成器件上實(shí)現(xiàn)了觸感記憶（haptic memory）功能（Adv. Mater. 2016, 28, 1559-1566）。隨后，基于3D打印技術(shù)和刺激響應(yīng)聚合物（Adv. Mater. 2017, 29, 1701627），實(shí)現(xiàn)了對(duì)光強(qiáng)響應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作幅度的智能仿生器件，該工作在仿生智能系統(tǒng)和柔性機(jī)器人上有潛在應(yīng)用。

竺立強(qiáng)團(tuán)隊(duì)致力于類腦神經(jīng)形態(tài)芯片開發(fā)，重點(diǎn)開展新型低壓氧化物薄膜晶體管及其類腦神經(jīng)形態(tài)器件方面的研究。相關(guān)工作見：Nature Communications, 5(2014)3158, Advanced Materials, 27(2015)5599, ACS Applied Materials & Interfaces, 8(2016)21770/ 9(2017)37064等。最近，該團(tuán)隊(duì)及其合作者設(shè)計(jì)了氧化物神經(jīng)形態(tài)晶體管，實(shí)現(xiàn)了對(duì)霍奇金-赫胥黎(Hodgkin-Huxley)膜電位行為的模仿Advanced Biosystems 2(2018)1700198。

本文由陳曉東團(tuán)隊(duì)供稿。