人類對疼痛的認識一直隨着歷史而發展。《黃帝內經》中記載“諸痛癢瘡，皆屬於心”，即認為痛是一種主觀感受。亞里士多德認為，疼痛只是一種情緒，和身體本身關係不大。直至今日，現代醫學的進步讓我們更加深入地了解到疼痛產生和傳導機制。當我們觸碰到帶刺物體，或者被刀片划到時，我們能瞬間知道哪裡受到了傷害，並且做出縮手的反饋動作，這就是我們人體中的疼痛反射。痛覺感受器是人體疼痛反射中的重要一環。痛覺感受器將傷害性刺激編碼成了神經電信號，並向神經中樞傳導痛覺信息。進一步，大腦通過解碼神經電信號，以及通過將痛覺信息映射到人體不同的部位，來同時實現對疼痛的定量和定位分析。痛覺形成的一瞬間，大腦還能馬上控制目標肌肉收縮，從而讓我們躲避危險、保護身體。正是這種神秘而“智能”的機制，讓人類和其他動物得以在自然界中生存繁衍。
隨着人工智能技術的發展，越來越多的機器人開始進入到社會生產活動中。機器人像人類一樣，同樣需要面臨複雜的外部環境，周圍存在着各種各樣的危險。如果能讓機器人獲得痛覺感受器的功能，同時感受到外部刺激的強度和位置，並根據輸入的刺激信號來產生智能反饋，就能有效避免器件損傷，或者對周圍環境造成破壞。
近日，湖南大學化學化工學院袁荃/談潔團隊開發了一種具有多維機械傳感的力致光電雙響應材料，能夠用於仿生痛覺傳感。在外力作用下，該材料同時實現較強的電信號和光信號雙輸出，電信號大小與機械力大小成正比，同時光信號可以用於定位機械刺激的位置。進一步，智能分析算法將有助於重現大腦對痛覺的多模態和智能識別，以實現智能終端的疼痛感知、定位和反饋。通過這種機制，機器人有望同時感知痛覺的強度和分布，從而做出正確的反饋動作。
圖1 仿生痛覺感受器的工作原理及潛在應用場景
仿生痛覺感受器以ZGGO:Cr納米材料作為核心傳感元件，在機械力刺激下可以同時產生摩擦電和力致發光輸出，分別用於量化和定位機械刺激。機器學習算法進一步解釋來自ZGGO:Cr的多模態信號。通過智能調控電信號的痛覺閾值，以及用光信號追蹤刺激位置，可以在機械手和手術機器人中創造出具有類似人體的疼痛反射。
圖2 仿生痛覺感受器的光電雙響應信號輸出
圖3 仿生痛覺感受器用於人體痛覺評估和機械手痛覺反饋研究
研究結果證明了仿生痛覺感受器在機械手抓握物體和輔助機器人進行穿刺活檢手術中的可行性。未來通過多功能集成，這種痛覺感知系統有望在許多場景中創造機會，包括智能機器人、無人探測器和物聯網領域等。
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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
來源：高分子科學前沿
