ابداع پوست مصنوعی که درد را حس می‌کند؛ گامی بزرگ در ساخت ربات‌های انسان‌نما

سیستم عصبی انسان وظیفه‌ی شگفت‌انگیزی در ردیابی اطلاعات حسی بر عهده دارد و این کار را با استفاده از سیگنال‌هایی انجام می‌دهد که می‌تواند هر دانشمند علوم کامپیوتری را به مرز جنون بکشاند: جریانی نویزگونه از اسپایک‌ها یا پالس‌های فعالیت که به صدها نورون دیگر مخابره و در آنجا با قطار پالس‌های مشابهی که از نورون‌های دیگر می‌آیند، ادغام می‌شوند.

اکنون پژوهشگران با الهام از اصول انتقال و ترکیب سیگنال‌ها در نورون‌های حسی ما، از مدارهای اسپایکی برای ساخت پوست مصنوعی رباتیک استفاده کرده‌اند. اگرچه این سیستم از برخی ویژگی‌های غیرعصبی نیز بهره می‌برد، مزیت بزرگ آن سازگاری با تراشه‌هایی است که شبکه‌های عصبی را با سیگنال‌های اسپایکی اجرا می‌کنند؛ موضوعی که به پوست امکان می‌دهد به‌طور روان با سخت‌افزارهای کم‌مصرف برای اجرای نرم‌افزارهای کنترلی مبتنی بر هوش مصنوعی یکپارچه شود.

سیستم عصبی موجود در پوست ما به‌شدت پیچیده است. این سیستم حسگرهای تخصصی برای ادراک‌های مختلف دارد: گرما، سرما، فشار، درد و موارد دیگر. در بیشتر نقاط بدن، حسگرها اطلاعات را به ستون فقرات می‌فرستند؛ جایی که برخی پردازش‌های اولیه انجام می‌شود تا واکنش‌های انعکاسی حتی بدون دخالت مغز فعال شوند. بااین‌حال، سیگنال‌ها در نهایت از طریق نورون‌های خاص به مغز می‌رسند تا پردازش‌های تکمیلی و آگاهی هوشیارانه صورت بگیرد.

فرآیند با ساخت پوست پلیمری انعطاف‌پذیر آغاز شد که حسگرهای فشار در آن تعبیه شده و از طریق پلیمرهای رسانا به بقیه سیستم متصل می‌شوند. لایه بعدی سیستم، ورودی‌های حاصل از حسگرهای فشار را به مجموعه‌ای از اسپایک‌های فعالیت (پالس‌های کوتاه جریان الکتریکی) تبدیل می‌کند.

در سیستم‌های زیستی، اسپایک‌ها می‌توانند اطلاعات را به چهار روش منتقل کنند: شکل هر پالس، دامنه، طول پالس و فرکانس (تعداد پالس در ثانیه). فرکانس اسپایک رایج‌ترین روش انتقال اطلاعات در بدن ماست و محققان نیز از همین روش برای انتقال میزان فشار وارده به حسگر استفاده کرده‌اند. سایر ویژگی‌های پالس نیز برای ایجاد چیزی شبیه به بارکد به کار می‌روند که به سیستم کمک می‌کند تشخیص دهد هر داده دقیقاً از کدام حسگر ارسال شده است.

علاوه بر ثبت فشار، هر حسگر در فواصل زمانی منظم یک سیگنال «من هنوز سالم هستم» ارسال می‌کند. اگر این سیگنال دریافت نشود، به این معنی است که حسگر دچار مشکل شده است.

لایه دوم همچنین سیگنال‌های پوست را فیلتر و ترکیب کرده و سپس به کنترل‌کننده اصلی بازو (که در اینجا نقش مغز را دارد) می‌فرستد. در یک آزمایش جالب، همین سیستم باعث شد تا یک صورت رباتیک بر اساس میزان فشاری که بازویش حس می‌کرد، حالات چهره خود را تغییر دهد.

بسیاری از جزئیات عملکرد سیستم به‌صورت تجربی به دست آمده است. برای مثال، محققان با اعمال فشاری معادل آنچه در پوست انسان به عنوان درد ثبت می‌شود، فرکانس اسپایک‌های حسگر خود را اندازه گرفتند. سپس، این مقدار به عنوان آستانه صدور سیگنال درد به سیستم کنترلی بالا دستی تنظیم شد تا پاسخ‌های رفلکسی به فشار بیش‌از‌حد فعال شود.

بااین‌حال، واکنش‌های پیچیده‌تر ربات در نهایت به برنامه‌ریزی سیستم‌های سطح بالا بستگی دارد. برای مثال، پوست به‌راحتی پیام آسیب در یک نقطه خاص را صادر می‌کند، اما اینکه کل ربات چه واکنشی به این خرابی نشان دهد، توسط پوست تعیین نمی‌شود.

یکی از نوآوری‌های تیم سازنده، قابلیت تعمیر آسان است. این پوست به‌گونه‌ای طراحی شده که از قطعات مجزایی تشکیل شود که با قفل‌های مغناطیسی به هم متصل می‌شوند. قفل‌ها به‌طور خودکار سیم‌کشی‌های لازم را برقرار می‌کنند و هر قطعه از پوست کد شناسایی منحصربه‌فرد خود را مخابره می‌کند. بنابراین اگر سیستم آسیبی را شناسایی کند، اپراتور می‌تواند به‌سادگی قطعه آسیب‌دیده را جدا و با سخت‌افزار نو جایگزین و فقط داده‌های مربوط به مکان قطعه جدید را به‌روزرسانی کند.

پژوهشگران نام دستاورد نوین خود را «پوست الکترونیکی رباتیک نورومورفیک» یا به اختصار NRE-skin گذاشته‌اند. واژه «نورومورفیک» به معنای عصب‌شکل، گاهی به تکنولوژی‌هایی اطلاق می‌شود که دقیقاً از اصول سیستم عصبی پیروی می‌کنند، اما این پوست لزوماً این‌گونه نیست. در واقع این سیستم از اصطلاح نورومورفیک بسیار آزادانه‌تر استفاده و عملکرد سیستم عصبی صرفاً به عنوان یک الهام‌بخش برای آن عمل کرده است.

همچنین این پوست در نسخه فعلی کمی از سیستم زیستی عقب‌تر است، چرا که فقط فشار را حس می‌کند. پوست واقعی می‌تواند طیف وسیعی از محرک‌ها مانند دما، مواد محرک و غیره را پردازش کند. این موارد پتانسیل اضافه شدن به NRE-skin را دارند، اما این کار نیازمند یک سیستم پردازش موازی است تا از تداخل سیگنال‌های جدید با سیگنال‌های فشار جلوگیری شود.

با تمام اوصاف، پردازنده‌های نورومورفیک اسپایکی می‌توانند میزبان شبکه‌های عصبی باشند و هنگام انجام این کار بسیار بهینه‌تر از نظر مصرف انرژی عمل می‌کنند. بنابراین، حتی با وجود محدودیت‌ها، این حوزه از پژوهش‌ها ارزش کاوش بسیار بالایی دارد.

جزئیات پژوهش در PNAS منتشر شده است.