這下，你打人形機(jī)器人，它真的會(huì)「疼」了。

來(lái)自香港城市大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的神經(jīng)形態(tài)機(jī)器人電子皮膚（neuromorphic RE-skin，NRE-skin）。

NRE-skin通過(guò)模仿人類(lèi)神經(jīng)系統(tǒng)，利用分層（Hierarchical）的神經(jīng)形態(tài)架構(gòu)，讓觸覺(jué)信號(hào)不再需要傳到中央處理器，而是在皮膚內(nèi)部就完成了初步處理與脈沖編碼。

基于這一仿生設(shè)計(jì)，NRE-skin同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三項(xiàng)關(guān)鍵能力：

• 高分辨率觸覺(jué)感知：高效采集并編碼精確的壓力和位置信息。
• 主動(dòng)保護(hù)機(jī)制：具備局部反射機(jī)制，能夠進(jìn)行主動(dòng)疼痛感知與損傷檢測(cè)。
• 維護(hù)高效性：支持快速更換的模塊化快拆結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)友表示這種復(fù)雜而精細(xì)的觸覺(jué)感知，將會(huì)為機(jī)器人領(lǐng)域帶來(lái)一次巨大的躍遷。

而這一研究也無(wú)疑會(huì)為后續(xù)的觸覺(jué)反饋算法和硬件設(shè)計(jì)提供新的思路。

接下來(lái)我們具體來(lái)看。

把觸覺(jué)轉(zhuǎn)成“神經(jīng)脈沖”

相比于以往的電子皮膚，NRE-skin沒(méi)有繼續(xù)沿用傳統(tǒng)電子皮膚的“模擬信號(hào)采集”思路，而是模擬人類(lèi)，直接把觸覺(jué)轉(zhuǎn)譯成神經(jīng)元式的脈沖信號(hào)。

在生物系統(tǒng)中，感覺(jué)信號(hào)經(jīng)歷的是一個(gè)分級(jí)處理過(guò)程：刺激由末梢神經(jīng)的局部“感受野”捕獲并編碼，再通過(guò)神經(jīng)纖維層層遞進(jìn)、逐漸聚焦，最終形成完整的感覺(jué)信息傳導(dǎo)至大腦。

NRE-skin遵循這一思路，在硬件層面實(shí)現(xiàn)了“傳感器即神經(jīng)元”的設(shè)計(jì)：它將每個(gè)壓力傳感器直接與一個(gè)微型振蕩電路相集成。

當(dāng)皮膚感知壓力時(shí)，傳感器的電阻變化會(huì)即時(shí)調(diào)控振蕩電路，導(dǎo)致其輸出的脈沖信號(hào)頻率發(fā)生改變。

具體而言，壓力越大，脈沖發(fā)射得越密集，以此完成壓力強(qiáng)度到脈沖頻率編碼的直接轉(zhuǎn)譯。

更巧妙的是，為了精確定位，每個(gè)傳感器被賦予了一組獨(dú)特的無(wú)源元件（電阻R和電容C）作為其“位置指紋”。

這些元件的配置使得每個(gè)位置發(fā)出的脈沖，在形狀、寬度或幅度上都具有獨(dú)一無(wú)二的特征。

由此，NRE-skin通過(guò)這種“頻率-強(qiáng)度，特征-位置”的編碼方式，將所有復(fù)雜的觸覺(jué)信息高效地匯聚到單一傳輸通道中。

分層（Hierarchical）處理

在將觸覺(jué)信息編碼為脈沖信號(hào)后，NRE-skin借鑒人類(lèi)皮膚的分層處理，設(shè)計(jì)了四層結(jié)構(gòu)（封裝層、傳感層、電路層、基底層） 。

而且還在電路層面建立了分層的、神經(jīng)狀的感受野結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的漸進(jìn)降維和數(shù)據(jù)流簡(jiǎn)化。

在生物系統(tǒng)中，人類(lèi)皮膚的功能由精密的四層結(jié)構(gòu)支撐：角質(zhì)層、表皮層、真皮層和皮下組織。

這些層級(jí)中蘊(yùn)含著高度復(fù)雜的感覺(jué)系統(tǒng)，分布于真皮和表皮的多種機(jī)械感受器與分層的神經(jīng)感受野共同構(gòu)成了信息采集與處理的一體化網(wǎng)絡(luò)。

該網(wǎng)絡(luò)將觸覺(jué)刺激分為兩類(lèi)：

• 基礎(chǔ)感知（如劇烈疼痛）通過(guò)脊髓反射弧快速處理，觸發(fā)無(wú)需大腦參與的局部自動(dòng)反應(yīng)（如縮回）。
• 復(fù)雜感知（如刺激強(qiáng)度的精確定位和損傷識(shí)別）則會(huì)被逐級(jí)傳遞至大腦皮層，進(jìn)行更深層次的分析和決策。

與之類(lèi)似，NRE-skin也采用了類(lèi)似的四層結(jié)構(gòu)，將感覺(jué)信號(hào)從外周逐級(jí)傳遞至更高層級(jí)的處理中心，實(shí)現(xiàn)了從粗到細(xì)的定位與篩選：

• 封裝層：模擬角質(zhì)層，提供表面的機(jī)械保護(hù)和整體防護(hù)。
• 基底層：模擬皮下組織，提供緩沖，吸收外力沖擊，并作為機(jī)械支撐。
• 傳感層：對(duì)應(yīng)人類(lèi)的機(jī)械感受器,負(fù)責(zé)感知外部刺激（如壓力），并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
• 電路層：對(duì)應(yīng)人類(lèi)的信號(hào)傳導(dǎo)神經(jīng)，NRE-skin的核心。負(fù)責(zé)脈沖編碼、信號(hào)處理、局部反射決策。

在四層結(jié)構(gòu)中，電路層是NRE-skin 的核心處理模塊。

它位于傳感層之下，負(fù)責(zé)將壓力刺激轉(zhuǎn)換為脈沖序列，并通過(guò)一套模擬生物感覺(jué)處理機(jī)制的人工感受野網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步處理，實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)降維和數(shù)據(jù)流簡(jiǎn)化。

電路層被進(jìn)一步細(xì)分為五個(gè)關(guān)鍵功能區(qū)域：

• 疼痛中心：用于疼痛信號(hào)評(píng)估、
• 特征中心：用于識(shí)別信號(hào)來(lái)源的皮膚模塊
• 信號(hào)整合器：用于合并各路輸出
• 脈沖發(fā)生器：用于生成脈沖序列
• 和連接器（用于與外部皮膚模塊連接

在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步集成了兩大高級(jí)功能：

主動(dòng)疼痛感知與局部反射

NRE-skin具備基于疼痛閾值觸發(fā)的局部反射機(jī)制。電路層面的“疼痛中心”實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈沖頻率所反映的壓力強(qiáng)度。

一旦壓力超過(guò)閾值，系統(tǒng)會(huì)繞過(guò)中央處理器，直接觸發(fā)類(lèi)似脊髓反射弧的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的即時(shí)保護(hù)動(dòng)作（如縮回），大幅提升機(jī)器人的安全響應(yīng)能力。

損傷自檢與模塊化維護(hù)

NRE-skin 通過(guò)檢測(cè)傳感器周期性產(chǎn)生的“活脈沖”狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了皮膚損傷的精確自檢和定位。

一旦脈沖停止，即意味著皮膚受損。結(jié)合其模塊化快拆設(shè)計(jì)，這極大地簡(jiǎn)化了受損皮膚單元的快速更換與維護(hù)流程。

總體看來(lái)，NRE-skin 不僅是一種更高效的電子皮膚，更是一種具備自主感知、實(shí)時(shí)判斷和自我保護(hù)機(jī)制的仿生智能系統(tǒng)，為未來(lái)制造更安全、更具人性化的仿人機(jī)器人奠定了堅(jiān)實(shí)的工程基礎(chǔ)。

這篇論文的第一作者是來(lái)自香港城市大學(xué)的高育育。

他目前是港城大學(xué)的博士后，研究方向包括觸覺(jué)感知（Tactile Sensing）和柔性電子（Flexible Electronics）。

他本科和碩士都畢業(yè)于西南交通大學(xué)，博士畢業(yè)于香港城市大學(xué)。