寧波材料所在仿生痛覺傳感系統(tǒng)研究方面取得進(jìn)展
智能化、類人化、柔性化是未來機(jī)器人發(fā)展的重要趨勢。人形機(jī)器人，尤其是具備人工智能算法功能的人形機(jī)器人，不僅可以在日常生活中用于個(gè)人協(xié)助和護(hù)理，而且可以在危險(xiǎn)任務(wù)中用于搜索和救援等。機(jī)器人的感知系統(tǒng)能夠從外界收集數(shù)據(jù)，并根據(jù)外界環(huán)境的變化做出不同的響應(yīng)，這對于提高機(jī)器人的服務(wù)質(zhì)量和壽命是至關(guān)重要的。其中，痛覺感受器是一類重要的傳感器，它可以識別來自于外界溫度、壓力等極端條件的潛在危險(xiǎn)，并產(chǎn)生預(yù)警信號（動作電位）傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，從而觸發(fā)保護(hù)反射動作規(guī)避一些傷害，將潛在的物理傷害降至最低。
對于觸覺系統(tǒng)，當(dāng)外界施加有害壓力時(shí)，人體皮膚內(nèi)的痛覺感知系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測到有害刺激，并指導(dǎo)人體做出進(jìn)一步的規(guī)避條件反應(yīng)。這種保護(hù)機(jī)制并不是簡單的反饋調(diào)節(jié)，而是由神經(jīng)中樞控制形成的具有多種工作模式的智能機(jī)制。對于視覺系統(tǒng)，到達(dá)視網(wǎng)膜的可見光是產(chǎn)生視覺感知所必不可少的，但是其中超過傷害閾值的光線很容易對眼睛造成損害。人眼的光痛覺傳感器在保護(hù)視覺系統(tǒng)免受光損傷的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，強(qiáng)光可以誘導(dǎo)眼睛發(fā)生眼瞼閉合、瞳孔收縮等保護(hù)性自主反射，防止視網(wǎng)膜損傷。對于未來人形機(jī)器人的精密電子皮膚和視覺系統(tǒng)，我們有必要發(fā)展出一套仿生的痛覺感知器件和系統(tǒng)，在提高其服務(wù)質(zhì)量和壽命的同時(shí)，形成更加友好的人機(jī)交互。
最近，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所李潤偉研究團(tuán)隊(duì)圍繞仿生痛覺傳感器開展了系列研究工作。首先，選用高功函數(shù)的導(dǎo)電金屬Pt作為底電極，選用富含缺陷的光敏半導(dǎo)體CeO2-x作為介質(zhì)層，選用低功函數(shù)的透明導(dǎo)電材料ITO作為頂電極，構(gòu)建了Pt/CeO2-x/ITO的“三明治”器件結(jié)構(gòu)。該器件直接以可見光作為輸入信號，具有與人眼光痛覺傳感器高度相似的工作方式。測試結(jié)果表明，由于上下電極功函數(shù)不匹配所產(chǎn)生的內(nèi)建電場，可以使器件在自供電模式下進(jìn)行工作。通過改變外加光脈沖的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和頻率，利用光生載流子在介質(zhì)層缺陷態(tài)中的捕獲和釋放過程，可以在單個(gè)器件單元中實(shí)現(xiàn)痛覺傳感器的四大關(guān)鍵屬性，即閾值、非適應(yīng)、弛豫和痛覺敏化。此外，由于人眼感受的主要是相對亮度，在不同的亮度背景下，光痛覺傳感器的傷害閾值大小不同（如圖1所示）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在頂電極與底電極之間施加外加電壓并進(jìn)行光照時(shí)，通過調(diào)節(jié)外加電壓的方向與大小，可以實(shí)現(xiàn)對器件傷害閾值的調(diào)控。相關(guān)結(jié)果為構(gòu)建智能視覺假體，人造眼球以及類人機(jī)器人等提供了材料和技術(shù)儲備，近日發(fā)表在Nanoscale期刊上（A visible light-triggered artificial photonic nociceptor with adaptive tunability of threshold,https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2021/nr/d0nr07297d），并申請國家發(fā)明專利1項(xiàng)（一種仿生光痛覺傳感器及其應(yīng)用，202010498960.0）。
電子皮膚的痛覺感知能力賦予了其在復(fù)雜現(xiàn)實(shí)環(huán)境中工作的能力。受人體皮膚痛覺感知系統(tǒng)的啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)采用仿生設(shè)計(jì)，制備了能夠像人體一樣具有多種工作模式的痛覺感知系統(tǒng)，為電子皮膚提供有效的保護(hù)。首先利用液態(tài)金屬顆粒膜“受傷”（機(jī)械刻劃）時(shí)獨(dú)特的電學(xué)特性，仿制了能夠?qū)崿F(xiàn)“傷口”感知和定位的痛覺感受器，進(jìn)一步結(jié)合壓力傳感器和仿神經(jīng)突觸，實(shí)現(xiàn)了痛覺的多種工作模式，包括受傷前基于壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了傷害性信號的預(yù)警、受傷時(shí)的精確定位功能，受傷后通過調(diào)整仿神經(jīng)突觸的電阻狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了敏化機(jī)制的模擬，該機(jī)制也可以像人體受傷后的皮膚一樣使得傷口周圍的敏感性增強(qiáng)，輕微的觸摸就可以引發(fā)疼痛信號的產(chǎn)生，因此可以有效促進(jìn)傷口的修復(fù)和規(guī)避二次傷害。最后利用仿神經(jīng)突觸電阻信號的時(shí)間衰變特性，模仿了敏化機(jī)制的衰減（如圖2所示）。
上述工作以“Bio-inspired multi-mode pain-perceptual system (MMPPS) with noxious stimuli warning, damage localization and enhanced damage protection”為題發(fā)表在Advanced Science上（DOI: 10.1002/advs.202004208）。該工作首次實(shí)現(xiàn)了對人體痛覺感知機(jī)制比較全面的模仿，未來有望集成在電子皮膚上同時(shí)實(shí)現(xiàn)痛覺感知、損傷預(yù)警和傷口修復(fù)的功能。
上述工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以及寧波市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
圖1 (a)人眼光痛覺系統(tǒng)的工作原理示意圖；(b) Pt/CeO2-x/ITO器件的閾值特性；(c)Pt/CeO2-x/ITO器件的弛豫特性；(d)閾值調(diào)節(jié)特性
圖2 (A-C)人體的痛覺感知系統(tǒng)的工作機(jī)理示意圖，(D-F)仿生痛覺傳感系統(tǒng)的工作機(jī)理示意圖
（中科院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 李法利 公國棟）