湖南大学袁荃/谈洁团队AM：用于机器智能的仿生痛觉感受器

人类对疼痛的认识一直随着历史而发展。《黄帝内经》中记载“诸痛痒疮，皆属于心”，即认为痛是一种主观感受。亚里士多德认为，疼痛只是一种情绪，和身体本身关系不大。直至今日，现代医学的进步让我们更加深入地了解到疼痛产生和传导机制。当我们触碰到带刺物体，或者被刀片划到时，我们能瞬间知道哪里受到了伤害，并且做出缩手的反馈动作，这就是我们人体中的疼痛反射。痛觉感受器是人体疼痛反射中的重要一环。痛觉感受器将伤害性刺激编码成了神经电信号，并向神经中枢传导痛觉信息。进一步，大脑通过解码神经电信号，以及通过将痛觉信息映射到人体不同的部位，来同时实现对疼痛的定量和定位分析。痛觉形成的一瞬间，大脑还能马上控制目标肌肉收缩，从而让我们躲避危险、保护身体。正是这种神秘而“智能”的机制，让人类和其他动物得以在自然界中生存繁衍。

随着人工智能技术的发展，越来越多的机器人开始进入到社会生产活动中。机器人像人类一样，同样需要面临复杂的外部环境，周围存在着各种各样的危险。如果能让机器人获得痛觉感受器的功能，同时感受到外部刺激的强度和位置，并根据输入的刺激信号来产生智能反馈，就能有效避免器件损伤，或者对周围环境造成破坏。

近日，湖南大学化学化工学院袁荃/谈洁团队开发了一种具有多维机械传感的力致光电双响应材料，能够用于仿生痛觉传感。在外力作用下，该材料同时实现较强的电信号和光信号双输出，电信号大小与机械力大小成正比，同时光信号可以用于定位机械刺激的位置。进一步，智能分析算法将有助于重现大脑对痛觉的多模态和智能识别，以实现智能终端的疼痛感知、定位和反馈。通过这种机制，机器人有望同时感知痛觉的强度和分布，从而做出正确的反馈动作。

图1 仿生痛觉感受器的工作原理及潜在应用场景

仿生痛觉感受器以ZGGO:Cr纳米材料作为核心传感元件，在机械力刺激下可以同时产生摩擦电和力致发光输出，分别用于量化和定位机械刺激。机器学习算法进一步解释来自ZGGO:Cr的多模态信号。通过智能调控电信号的痛觉阈值，以及用光信号追踪刺激位置，可以在机械手和手术机器人中创造出具有类似人体的疼痛反射。

图2 仿生痛觉感受器的光电双响应信号输出

图3 仿生痛觉感受器用于人体痛觉评估和机械手痛觉反馈研究

研究结果证明了仿生痛觉感受器在机械手抓握物体和辅助机器人进行穿刺活检手术中的可行性。未来通过多功能集成，这种痛觉感知系统有望在许多场景中创造机会，包括智能机器人、无人探测器和物联网领域等。

文章信息：

Wenjie Wang, Yingfei Wang, Li Xiang, Long Chen, Lilei Yu, Anlian Pan, Jie Tan*, Quan Yuan*. A Biomimetic Nociceptor Using Centrosymmetric Crystals for Machine Intelligence. Adv. Mater.2023, 2310555.

https://doi.org/10.1002/adma.202310555

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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