智能化、類人化、柔性化是未來機器人發(fā)展的重要趨勢。人形機器人，尤其是具備人工智能算法功能的人形機器人，不僅可以在日常生活中用于個人協(xié)助和護理，而且可以在危險任務中用于搜索和救援等。機器人的感知系統(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，這對于提高機器人的服務質(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，并產(chǎn)生預警信號（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)，當外界施加有害壓力時，人體皮膚內(nèi)的痛覺感知系統(tǒng)能夠及時檢測到有害刺激，并指導人體做出進一步的規(guī)避條件反應。這種保護機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制。對于視覺系統(tǒng)，到達視網(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視覺系統(tǒng)免受光損傷的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，強光可以誘導眼睛發(fā)生眼瞼閉合、瞳孔收縮等保護性自主反射，防止視網(wǎng)膜損傷。對于未來人形機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)，在提高其服務質(zhì)量和壽命的同時，形成更加友好的人機交互。

最近，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所李潤偉研究團隊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)的導電金屬Pt作為底電極，選用富含缺陷的光敏半導體CeO2-x作為介質(zhì)層，選用低功函數(shù)的透明導電材料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行工作。通過改變外加光脈沖的強度、持續(xù)時間和頻率，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，可以在單個器件單元中實現(xiàn)痛覺傳感器的四大關(guān)鍵屬性，即閾值、非適應、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）。實驗發(fā)現(xiàn)，當在頂電極與底電極之間施加外加電壓并進行光照時，通過調(diào)節(jié)外加電壓的方向與大小，可以實現(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（一種仿生光痛覺傳感器及其應用，202010498960.0）。

電子皮膚的痛覺感知能力賦予了其在復雜現(xiàn)實環(huán)境中工作的能力。受人體皮膚痛覺感知系統(tǒng)的啟發(fā)，該團隊采用仿生設計，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。首先利用液態(tài)金屬顆粒膜“受傷”（機械刻劃）時獨特的電學特性，仿制了能夠?qū)崿F(xiàn)“傷口”感知和定位的痛覺感受器，進一步結(jié)合壓力傳感器和仿神經(jīng)突觸，實現(xiàn)了痛覺的多種工作模式，包括受傷前基于壓力傳感器實現(xiàn)了傷害性信號的預警、受傷時的精確定位功能，受傷后通過調(diào)整仿神經(jīng)突觸的電阻狀態(tài)實現(xiàn)了敏化機制的模擬，該機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，輕微的觸摸就可以引發(fā)疼痛信號的產(chǎn)生，因此可以有效促進傷口的修復和規(guī)避二次傷害。最后利用仿神經(jīng)突觸電阻信號的時間衰變特性，模仿了敏化機制的衰減（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）。該工作首次實現(xiàn)了對人體痛覺感知機制比較全面的模仿，未來有望集成在電子皮膚上同時實現(xiàn)痛覺感知、損傷預警和傷口修復的功能。

上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、寧波市科技創(chuàng)新團隊以及寧波市自然科學基金等項目資助。

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)的工作機理示意圖，(D-F)仿生痛覺傳感系統(tǒng)的工作機理示意圖