具有神经形态编码的仿生三维触觉传感系统用于束群水平反馈

《Advanced Intelligent Systems》：Biomimetic 3D Tactile Sensor System With Neuromorphic Encoding for Fascicle-Level Feedback

　　

通过选择性神经接口传递的触觉反馈重建对于假体具身性恢复至关重要。本研究提出了一种仿生三维（3D）触觉传感系统，旨在将类皮肤机械相互作用转换为束群水平（fascicle-level）上具有功能选择性的神经刺激模式。该系统集成了基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的、具有可调机械顺应性的人工皮肤层，内嵌慢适应（SA）和快适应（FA）传感通道，以及一个神经形态编码框架，用于将模拟传感器输出转换为类感受器电位（receptor-potential-like）波形和动作电位（action potential, AP）脉冲序列。MWCNT-PDMS压阻复合材料提供对持续压力敏感的SA输出，而BaTiO₃-PDMS摩擦电复合材料提供对瞬态动态事件敏感的FA输出。传感器的尺寸、占位面积和嵌入深度经过选择，以便在三维皮肤基质内产生受感受野启发的差异化响应谱。在体（in vivo）大鼠坐骨神经刺激验证表明，编码后的按压和轻敲模式可在胫骨前肌（TA）和腓肠肌（GC）中诱发可区分的肌电（EMG）响应。这些结果支持未来用于闭环神经假体反馈的功能选择性仿生触觉前端的可行性，但其临床转化仍需进一步开展器件层面的耐久性验证、频率响应表征以及实时集成。

该论文发表于《Advanced Intelligent Systems》，围绕神经假体触觉反馈中的关键瓶颈，提出了一种将仿生机械感知、神经样编码与周围神经刺激贯通起来的三维触觉传感框架。研究背景在于，上肢截肢不仅造成运动能力缺失，更重要的是导致触觉反馈中断，患者在使用传统假肢时往往不得不依赖视觉线索判断接触力和物体表面特征，这会增加认知负荷、降低操作精度，并削弱假肢作为身体自然延伸的具身感。尽管现有感觉反馈方案可分为非侵入式与侵入式两大类，但非侵入式方法通常难以实现与天然体感拓扑相匹配的感觉定位，也缺乏模态特异性；相比之下，直接作用于周围神经的侵入式接口更有潜力沿选择性神经通路传递触觉信息。论文指出，生物触觉通路并非仅传递单一压力标量，而是依靠不同机械感受器及传入纤维通过部分分离的“标记线”（labeled line）样通路，以不同的时空神经编码表征压力、压陷和振动等机械事件。因此，真正有意义的人工触觉系统不应只做到“检测到接触”，而应进一步生成能够与选择性神经接口兼容的刺激模式。

现阶段该领域主要存在两类问题。第一，结构层面上，许多电子皮肤和人工触觉传感器仍采用二维（2D）逐层堆叠制造方式，这类结构往往提高整体等效模量，限制机械刺激向深层传播，也难以重建皮肤中与深度相关的感受野行为。第二，信号转导层面上，许多现有方案从传感到神经刺激之间缺少完整耦合路径，且常把生物编码过程过度简化。人体触觉系统会先把机械刺激转为梯度型感受器电位，再经阈值化、适应和时间编码形成动作电位，而不少人工系统更偏向面向识别任务或计算效率的“数据到脉冲”抽象，未充分考虑其作为神经刺激输入的可解释性与生理兼容性。正因如此，研究人员开展本研究，目标是构建兼具皮肤样机械滤波、SA/FA模态分离和神经样脉冲编码能力的仿生触觉前端，为未来束群水平闭环神经假体反馈奠定基础。

在技术方法上，研究主要采用了四类关键策略。其一，利用可调配比的PDMS构建顺应性人工皮肤层，并通过分层浇铸将传感器嵌入不同深度，模拟皮肤的力学过滤作用。其二，分别构建基于MWCNT-PDMS压阻复合材料的SA通道与基于BaTiO₃-PDMS铁电增强摩擦电复合材料的FA通道，以实现持续压力与瞬态动态事件的分离检测。其三，建立离线神经形态编码流程，将传感信号依次经过滤波、归一化、类感受器电位映射、阈值提取、时间适应滤波、放电频率变换以及非齐次泊松（Poisson）脉冲生成。其四，在动物实验中使用14–15周龄雄性Sprague–Dawley（SD）大鼠坐骨神经模型，将编码后的脉冲时间戳转化为双相电流刺激，并记录TA与GC肌电以评估生理兼容性与功能差异性。

在人工皮肤层部分，论文小标题为“2.1 Artificial Skin Layer”。研究人员首先从生物皮肤的表皮、真皮和皮下组织等复杂黏弹性分层出发，将其抽象为适于机械感受器嵌入的简化模量分层架构。PDMS之所以被选为人工皮肤基材，是因为其力学顺应性可通过基体与固化剂配比进行调节。实验结果显示，40:1配比PDMS的杨氏模量约为0.17 MPa，位于文中引用的人体真皮0.1–0.5 MPa范围内，因此被确定为人工皮肤基质。进一步的Shore 00硬度测试及主观触感盲评也表明，该配比样品在硬度和触感上更接近前臂和手掌皮肤。基于这些机械与感知结果，研究人员通过逐层浇铸方式制备最终人工皮肤结构，并将SA与FA传感器安置在预定深度，从而为后续形成受感受野启发的响应差异提供基础。该部分结论说明，经过调参后的PDMS不仅可提供皮肤样顺应性，还可作为三维嵌入平台调控刺激传递路径。

在人工机械感受器传感器部分，论文分为“2.2.1 Engineering Multimodality and Adaptation Patterns”和“2.2.2 Engineering Sensitivity Differences and Receptive-Field-Inspired Responses”两个小节。第一小节聚焦于多模态与适应模式工程。研究人员指出，模态分离和适应行为主要由材料体系和传感机理决定，而灵敏度及受感受野启发的响应特征则受传感器占位面积、直径和嵌入深度调控。针对SA支路，研究构建了压阻型MWCNT-PDMS复合传感器，用于持续编码静态压力。通过分析不同MWCNT浓度下复合材料初始电阻，研究确定4 wt%接近形成稳健导电网络的阈值，因此被选为基准浓度。为进一步提高压敏灵敏度和机械顺应性，研究引入KCl盐析模板形成多孔结构，并比较不同孔隙率下的灵敏度与结构完整性，最终选择300 wt% KCl作为在灵敏度与弹性恢复之间更平衡的条件。随后，通过两次还原氧化石墨烯（rGO）浸涂增强网络桥接，减小信号迟滞并缩窄工作电阻波动范围。针对FA支路，研究采用铁电增强摩擦电机制检测轻敲与振动等瞬态动态事件。尽管BaTiO₃是经典压电材料，但文中根据未极化复合体的显著电压输出，认为其主导贡献来自摩擦起电表面电荷生成，而BaTiO₃纳米颗粒在该混合构型中主要作为高介电常数填料，提高PDMS基体电容并放大静电感应。结果表明，当BaTiO₃浓度为30 wt%时，峰峰值电压（Vpp）达到最大，过高负载则因颗粒团聚和介电饱和导致输出下降。重复轻敲分析进一步显示，FA1与FA2分别获得1.22 ± 0.11 V和0.90 ± 0.14 V的事件级Vpp，表明在测试条件下具备可重复动态输出能力。这一部分证明，研究人员通过材料和机理设计成功实现了SA持续压力响应与FA瞬态动态响应的功能分离。

第二小节聚焦于灵敏度差异和受感受野启发的响应塑造。研究人员将传感器占位形状、直径及嵌入深度视为调控外部刺激与内部敏感元件机械耦合的几何变量。为适配软性平面人工皮肤中的逐层嵌入并减少边缘应力集中，传感器采用椭圆形占位。随后，研究系统分析了响应如何随嵌入深度与横向刺激距离变化：浅层3 mm嵌入传感器在刺激中心附近产生更强输出，但随横向偏移快速衰减；深层12 mm传感器输出幅值减小，但可在更宽横向范围内保持响应。该趋势同时出现在SA电阻导出输出与FA电压输出中，说明嵌入深度是调控空间响应宽度的有效参数。基于这一传播特征，研究最终选择直径5 mm、深度3 mm的配置来形成更局部的Type 1-like响应，以及直径10 mm、深度12 mm的配置来形成更弥散的Type 2-like响应。结果显示，5 mm SA通道的归一化压陷灵敏度高于10 mm通道，而FA 5 mm与10 mm传感器在刺激中心的峰值电压相近，说明FA几何分配并非仅由峰值决定，而更多依据整体空间响应剖面。响应/恢复时间分析还表明，SA1、SA2、FA1和FA2均可在测试条件下分辨事件级瞬态。该部分结论在于，通过有限而明确的尺寸—深度配置选择，系统能够在软性3D皮肤基质中实现可区分的空间扩展和灵敏度特征，为后续神经编码提供结构基础。

在“2.3 Artificial Neural Signal Encoding”部分，研究人员构建了从传感输出到神经刺激触发的完整编码流程。该部分首先在“2.3.1 Conversion of Sensor Signals to Receptor Potentials”中说明，由于SA和FA采用不同转导机理，其原始电信号物理含义不同：SA为压阻变化经3.3 V分压电路转换而来的电压信号，FA则直接产生摩擦电瞬态电压。研究使用Savitzky–Golay滤波在保留按压与轻敲事件时间形态的同时抑制高频噪声，并采用各传感器特异性校准范围对信号归一化，再将其线性映射至由静息膜电位?70 mV和放电阈值?40 mV界定的类感受器电位范围。文中强调，这一映射并非声称重建生物受体全部离子机制，而是建立一个在生理上可解释的中间表征。对于FA通道，研究还对负向释放峰引入专门反相步骤，使接触起始与释放结束两个阶段都可作为去极化事件进入后续编码，从而支持on–off动态事件表征。

在“2.3.2 Conversion of Receptor Potentials to Action Potentials”中，研究进一步把连续类感受器电位转为离散动作电位脉冲列。流程包括四步：首先，提取高于?40 mV阈值的超阈值成分，并用95百分位幅值构建稳健归一化，降低异常瞬态影响；其次，将归一化驱动送入漏泄型时间滤波器，以不同时间常数模拟适应行为，其中SA通道取较大时间常数以支持持续放电，FA通道取较小时间常数以实现动态事件后快速衰减；再次，利用饱和型非线性传递函数把适应驱动转为瞬时放电频率，避免频率无限增长并形成SA低频持续放电与FA短暂爆发放电的差异化输出；最后，借助非齐次Poisson过程生成脉冲时间戳，以引入更具生理合理性的脉冲间隔不规则性。接着在“2.3.3 Experimental Validation of Neural Encoding Steps”中，研究通过按压和轻敲实验验证该编码流程。结果显示，在持续按压条件下，SA1和SA2产生持续类感受器电位去极化并持续放电，而FA通道几乎无响应；在动态轻敲条件下，FA1和FA2在接触与释放时均产生超阈值峰并形成短促脉冲爆发，而SA通道也因人工轻敲中含有低频压陷成分而出现更稠密、更持久的放电。由此可见，同一编码框架能够保留持续触觉输入与瞬态触觉输入之间的时序差异。

在“2.4 In Vivo Validation via Sciatic Nerve Stimulation”部分，研究人员进一步验证编码信号的生理兼容性。实验将离线生成的脉冲时间戳作为触发信号，经隔离高功率刺激器输出双相电流脉冲，通过钩形铜电极作用于大鼠坐骨神经。之所以选择运动反应而非感觉知觉作为评价终点，是因为动物触觉感知主观性较强，而肌肉肌电（EMG）则能提供客观、定量的神经驱动读出。由于坐骨神经分支支配TA和GC肌，研究通过比较不同编码触觉模式诱发的TA与GC响应，考察刺激输入能否形成可区分的神经肌肉募集图谱。结果表明，在按压测试中，SA通道产生持续脉冲列，FA通道接近静默，对应TA和GC呈现持续EMG激活；在轻敲测试中，FA通道在接触起始和释放结束时产生短促爆发，SA通道也有响应但更持久。这说明编码框架保留了持续与瞬态输入之间不同的时间结构。进一步地，即使触发时序相同，TA与GC的波形幅度和时间过程也并不相同，提示这些编码刺激模式与受刺激神经之间发生了功能分化的相互作用。论文同时谨慎指出，这些结果本身并不能证明触觉知觉恢复或微观尺度上的神经选择性，但足以支持将仿生脉冲模式作为未来束群水平反馈系统中可区分刺激输入的可行性。

讨论与结论部分的核心在于，本研究建立了一个从类皮肤机械转导到SA/FA触觉编码，再到周围神经刺激的概念验证平台。人工皮肤层为多通道传感器提供了可控深度的顺应性三维基质；MWCNT-PDMS压阻SA通道承担持续压力编码，BaTiO₃-PDMS摩擦电FA通道承担瞬态动态事件编码；神经形态信号处理流程则将异构传感输出统一转换为类感受器电位和动作电位脉冲列；在体坐骨神经刺激进一步显示，编码后的按压和轻敲模式可诱发可区分的TA和GC肌电响应，从而支持其作为功能选择性束群水平反馈前端的可行性。论文同时清楚界定了尚待解决的问题，包括当前编码与刺激流程仍为离线实现，未来需在低时延嵌入式处理器上完成实时滤波、归一化、编码与触发输出；器件层面仍需开展标准化长期循环、迟滞量化、循环后显微表征以及FA通道频率响应的定量评估；环境稳定性尤其是湿度对铁电增强摩擦电输出的影响仍需通过更优封装与耐湿材料改善；系统层面还需要在单层人工皮肤中整合更高密度阵列，以实现跨重叠感受野的时空整合，并减少串扰；最终，这一体系的真正影响力还依赖于选择性神经接口技术的发展，即随着记录与刺激接口更有能力瞄准单个神经束群，能够提供已校准脉冲输入的仿生传感前端将变得更加关键。

研究结论可概括翻译如下：本研究提出了一种将类皮肤机械转导、SA/FA触觉编码和周围神经刺激连接起来的仿生3D触觉传感系统。人工皮肤层为在受控深度嵌入传感通道提供了顺应性3D基质。MWCNT-PDMS压阻SA通道对持续压力输入进行编码，而BaTiO₃-PDMS摩擦电FA通道对瞬态动态事件进行编码。一个神经形态信号处理流程将这些异构传感器输出转换为类感受器电位波形和动作电位脉冲列。在体坐骨神经刺激表明，编码后的按压和轻敲模式可诱发可区分的TA与GC肌电响应，从而支持该框架用于功能选择性束群水平反馈的可行性。同时，这一概念验证也明确了进一步转化所需的步骤，包括实时系统集成、器件可靠性验证、环境稳定性优化、更高密度阵列扩展以及与更高选择性神经接口的协同发展。