研究人员为机器人制造“神经形态”人工皮肤

神经系统在追踪感官信息方面的工作令人惊叹，并且它使用的信号会让许多计算机科学家抓狂：这是一种嘈杂的脉冲活动流，可能会传输给数百个额外的神经元，在那里它们与来自其他神经元的类似脉冲序列整合在一起。

现在，研究人员利用脉冲电路构建了一种人工机器人皮肤，借鉴了我们感觉神经元信号传输和整合的一些原理。虽然该系统依赖于一些明显非神经的特性，但它有一个优势，即我们拥有可以使用脉冲信号运行神经网络的芯片，这将允许该系统与一些能运行基于人工智能控制软件的高效能硬件无缝集成。

通过脉冲定位

我们皮肤中的神经系统异常复杂。它具有针对不同感觉的专门传感器：热、冷、压力、疼痛等。在身体的大部分区域，这些信号会输入脊髓，在那里进行一些初步处理，甚至可以在不涉及大脑的情况下触发反射反应。但信号确实会沿着专门的神经元进入大脑，允许进一步的处理和（潜在的）意识感知。

这项近期研究的背后团队，位于中国，决定为覆盖机器人手的人工皮肤实现类似的功能。他们将传感限制在压力上，但实现了神经系统所做的其他事情，包括识别输入的位置和损伤，并使用多层处理。

所有这些都始于制作一种柔性聚合物皮肤，其中嵌入了压力传感器，这些传感器通过导电聚合物与系统的其余部分连接。系统的下一层将来自压力传感器的输入转换为一连串的活动脉冲——短的电脉冲。

这些脉冲序列可以通过四种方式传递信息：单个脉冲的形状、幅度、脉冲的长度以及脉冲的频率。脉冲频率是生物系统中最常用的传递信息的方式，研究人员用它来传达传感器感受到的压力。其余的信息形式则用于创建类似于条形码的东西，以帮助识别读数来自哪个传感器。

除了记录压力，研究人员还让每个传感器按固定的时间间隔发送“我还在”的信号。未能接收此信号将表明传感器出现了问题。

脉冲信号允许系统的下一层识别皮肤感受到的任何压力，以及其来源。这一层还可以对感官输入进行基本评估：“来自脉冲发生器的压力启动原始脉冲在信号缓存中心累积，直到超过预定义的疼痛阈值，从而激活疼痛信号。” 这可以实现不涉及高级控制系统的基本反射反应。例如，研究人员设置了一个覆盖着他们人工皮肤的机械臂，使其在感受到可能造成伤害的压力时移动手臂。

第二层还将来自皮肤的信号组合并过滤，然后再将信息发送到手臂的控制器，这在此情境中相当于大脑。因此，同样的系统导致一个机器人面部根据其手臂感受到的压力大小改变表情。

易于修复

该系统操作的许多细节是通过经验确定的。例如，他们施加了相当于人类皮肤能感觉到疼痛的压力大小，并计算了他们的传感器产生脉冲的频率。随后将此设为向高级控制系统发出疼痛信号的阈值，并会触发对过度压力的任何反射反应。许多更复杂的响应最终将取决于这些高级系统的编程方式。例如，系统可以很容易地生成指示皮肤特定位置损伤的信号；整个系统如何响应这种损伤，皮肤本身并未规定。

但该团队确实使修复工作变得容易。皮肤设计为由多个可磁力互锁扣合在一起的段组成。这些会自动连接任何必要的线路，并且每个皮肤段会广播一个唯一的身份码。因此，如果系统识别出损伤，操作员可以相对容易地弹出受损段并更换为新硬件，然后更新任何将新段的ID与其位置链接的数据。

研究人员称他们的发展为神经形态机器人电子皮肤，或称NRE皮肤。“神经形态”作为一个术语有点模糊，有些人用它来表示直接遵循神经系统所用原理的技术。这绝对不是这种皮肤。相反，它更宽松地使用“神经形态”，神经系统的运作作为该系统的灵感来源。

这一点在位置信息的情况下最为明显。神经系统实际上维持着身体的地图，并将感官输入与该地图上的位置联系起来。生物学完全没有使用NRE皮肤在脉冲属性中编码位置信息的方式。因此，这个系统更像是受生物学启发，而不是实际生物学的模型。

在目前的实现中，它也略逊于生物学，因为它只能感知压力。实际的皮肤可以处理各种不同的感官输入，包括温度、刺激物等。所有这些都有可能添加到类似NRE皮肤的东西中，但这需要一个并行处理系统，以防止额外的信号与压力敏感硬件的信号混合。

尽管如此，脉冲神经形态处理器可以承载神经网络，并且在这样做时能效要高得多。因此，即使有其局限性，这似乎是一个值得探索的研究领域。

PNAS, 2025. DOI: 10.1073/pnas.2520922122 (关于DOIs)。