脑机接口爱好者经常会滔滔不绝地说“关闭循环。” It’s for good reason. On the implant level, it means engineering smarter probes that only activate when they detect faulty electrical signals in brain circuits. Elon Musk’sNeuralink- - - - - -其他球员-很乐意追求这种既能测量大脑又能刺激大脑的双向植入。

但对于努力恢复功能的科学家来说瘫痪病人或者截肢者,“关闭环路”具有更广泛的内涵。建立智能思维控制的机器人肢体还不够;下一个边界是在离线身体部位中恢复感觉。为了真正用机器融化生物学,机器人附属物必须用身体“感觉一个”。

本月,来自科学的机器人描述未来互补的方法。在一个犹他大学的科学家们将最先进的机器人手臂 - DEKA Luke - 电气刺激剩余的神经在附着点上方。使用人工ZAP模仿皮肤的自然反应模式来触及,团队显着提高了患者的识别物体的能力。没有多少训练,他很容易歧视小而大的,柔软,柔软,戴着耳机的耳机。

在另一个一支位于新加坡国立大学的团队从我们最大的器官,皮肤中获取灵感。模仿生物皮肤的神经结构,工程化的“电子皮肤”不仅感应温度,压力和湿度,而且即使在刮擦或以其他方式损坏时也持续起作用。由于人工神经传输信号远快,而不是我们的生物学,柔性E-Skin比人体微弱地击落1000倍的电气数据。

这些研究结合在一起神经科学机器人。他们展示了将生物灵敏度与机器人效率相结合并不是不可能的(超人的触觉,有人知道吗?)但更直接、更重要的是,它们是希望重获触觉的病人的希望灯塔。

其中一名参与者是13年前失去前臂、头发斑白的中年男子,超能力、电子人或令人眼花缭乱的大脑植入物是他最后考虑的事情。经过一连串情感中立的科学测试,他握住妻子的手,十多年来第一次感受到她的温暖。他的脸上露出令人眼花缭乱的笑容。

这就是科学家们正在努力的工作。

仿生反馈

人类的皮肤是一个不可思议的东西。它不仅能快速检测多种感觉——压力、温度、瘙痒、疼痛、湿度——它的线路还能将不同的信号“捆绑”成一个感觉指纹,帮助大脑在任何时候识别自己的感觉。多亏了45英里长的神经连接皮肤、肌肉和大脑,你可以一边盯着电脑屏幕,一边拿起半杯咖啡,知道它很热,还在溅水。不幸的是,这种复杂性也是原因之一恢复感觉太努力了。

卢克手臂感觉电极神经科学
感觉电极阵列植入参与者的手臂。图像信用:乔治等人,科学。4、eaax2352(2019)。

然而,复杂的神经图案也可以是灵感的来源。以前的机器人武器通常与所谓的“标准”感官算法配对,以诱导缺失的肢体中的基本触感。在这里,电极Zap残留神经与接触力成比例的强度:抓握越难以,电反馈越强。虽然看似逻辑,但这不是我们的皮肤如何工作。每次皮肤接触或留下一个物体时,它的神经都会向大脑射击强烈的活动爆发;在完全接触时,信号要低得多。由此产生的电力强度曲线类似于“U”。

卢克假手神经科学
巡回路手。图像信用:乔治等人,科学。4、eaax2352 (2019)

研究小组决定直接比较标准算法和更好地模拟皮肤自然反应的算法。他们为一名志愿者安装了机械的卢克手臂,并在他的前臂上——就在截肢的正上方——植入了一系列电极,以刺激剩下的神经。当研究小组激活不同的电极组合时,这个人报告说在他失去的那只手上有振动、压力、敲击或某种“收紧”的感觉。zaps的一些组合也让他觉得自己在移动机械臂的关节。

总的来说,该团队能够仔细地绘制出幻肢手部不同位置的近120种感觉,然后他们将这些感觉与植入卢克手臂的接触传感器重叠。例如,当病人用他的机械食指触摸某物时,相关电极会发出信号,让他感觉自己正在用自己缺失的食指触摸某物。

标准感官反馈已经帮助:即使用简单的电气刺激,该人也可以分开尺寸(高尔夫与曲棍球球)和纹理(泡沫与塑料),同时蒙上眼睛和戴着噪音消费耳机。但是当球队实施两种类型的神经染色反馈 - 电气ZAP,类似于皮肤的自然反应 - 他的性能显着改善。在他们的指导下,他能够识别更快更准确地识别物体。在实验室外,他还发现自己更容易烹饪,喂养和穿着自己。他甚至可以在他的手机上发短信,并完成以前太难的常规琐事,例如将插入件塞进枕套,锤击钉子,或难以抓住鸡蛋和葡萄。

研究表明,大脑更容易接受受生物启发的电子模式,这使得它成为一个相对简单但功能强大的升级,无缝地将机器手臂与宿主集成在一起。研究小组表示:“长期使用手机,在功能和情感上的益处可能会进一步增强,目前正在努力开发一种便携式带回家的手机系统。”

电子皮肤革命:异步编码电子皮肤(ACES)

灵活的电子皮肤不是新的但第二组在速度和耐久性方面都有所提升,同时保留了多感官功能。

从橡胶、塑料和硅的组合开始,该团队在电子皮肤上嵌入了超过200个传感器,每个传感器都能识别触点、压力、温度和湿度。然后他们从皮肤的神经系统中寻找灵感。我们的皮肤上嵌有密集排列的神经末梢,这些末梢分别传递不同类型的感觉,它们整合在称为神经节的中枢中。与每一个神经末梢直接将数据发送到大脑相比,这种“收集、处理和传输”的架构可以快速地加快速度。

该团队利用了这种生物结构。ACES并没有将每个传感器与专用接收器配对,而是将所有感觉数据发送到一个单一接收器——一个人工神经节。这种装置可以让电子皮肤的接线作为一个整体工作,而不是单独的电极。每个传感器都使用一个特征脉冲传输数据,这使得接收器能够唯一地识别它。

收获是立竿见影的。首先是速度。通常,来自多个独立电极的感觉数据需要定期组合成一个压力点的地图。在这里,来自数千个分布式传感器的数据可以独立地传送到一个接收器进行进一步处理,大大提高了效率——新型电子皮肤的传输速率大约比人类皮肤快1000倍。

第二是冗余的。由于来自单个传感器的数据被聚合,即使任何单个感受器受损,该系统仍能正常工作,使其比之前的尝试更具弹性。最后,设置可以很容易地扩展。尽管该团队只在240个传感器上测试了这个想法,但理论上,该系统应该可以与多达10000个传感器一起工作。

该团队现在正在探索与其他材料层相结合的方法,以使其防水和自我修复。正如您可能猜到的那样,立即应用程序是为机器人提供类似于复杂的触摸。感官升级不仅让机器人更容易操纵工具,门把手和其他物体,也可以让机器更容易与未来人类合作(Hey Wall-E,注意通过盐?)。

Dexterous机器人除此之外,团队还设想工程更好的假肢。例如,当涂覆在纤维树肢体上时,ACE可以给他们更好的触摸感,开始竞争人类皮肤 - 或者甚至超过它。

不管怎样,使人类神经系统的功能适应于机器的努力最终得到了回报,而且肯定还会有更多的努力。模仿神经的想法很可能是最终闭合回路的环节。

图像信用:丹·希克森/犹他大学工程学院。

Shelly Xuelai Fan是一个神经科学家转向科学作家。她在不列颠哥伦比亚省大学的神经科学中完成了博士学位,在那里她开发了新的神经变性治疗方法。在研究生物脑的同时,她对AI和所有东西都很着迷。毕业后,她搬到了UCSF,研究了恢复老年大脑的基于血液的因素。她是 ...

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