作者/文龍

發令槍響，短跑運動員如若上了發條的彈簧一般瞬間彈射出去，0.01秒的起跑反應時間的縮短就需要運動員花費大量時間去反覆地訓練學習。如果人類的假體也可以做到類似的學習呢？或許能為因神經系統疾病而喪失部分行動能力的患者帶來新的希望。

近日，由韓國三所大學的科研人員受人類有意識反應系統的啟發，研發出一種簡單的人工神經系統，該系統可以模擬人類對光刺激產生的自發反應，並透過學習獲得快速行動能力。該研究結合了人工智慧、半導體、神經生物學等多個領域的前沿技術，將會對未來的醫療保健裝置以及機器人的發展起著重要的作用。

研究成果於4月9日以「能夠自發反應的人工刺激反應系統」（Artificial stimulus-response system capable of conscious response）為題發表在《科學·先進》（Science Advances）雜誌上。

人類可以識別各種刺激並對它們做出反應，對外部刺激的反應根據意識的存在與否以及控制反應的能力而分為有意識反應和無意識反應。像膝跳反射、巴甫洛夫的狗實驗等不受意識的控制，屬於無意識反應；相反，有意識的反應需要大腦皮質的學習過程，例如起跑反應、運動員接球。重複的刺激和反應可以使我們學會控制有意識反應，學習突觸連線的調節可以最佳化反應時間使反應系統得到增強，就像本文開頭所講的那樣。

近年來，模仿這種人類應激反應系統的「人工神經系統」引發了世界各地研究人員的廣泛興趣。他們希望人工神經系統能夠應用在人類身上，但是大多數研究僅限於模擬無意識反應，尚未展示出人工神經系統的有效性。

現在，韓國研究團隊已經成功設計出一種能夠自覺地有意識地響應外界刺激的人工神經系統。該系統由模擬人工視覺受體（AVR）的量子點光電二極體、模擬人工突觸（AS）的雙電層電晶體、模擬大腦的基於互補金氧半導體（CMOS）的人工神經元（AN）電路以及機械手臂組成。

當檢測到光刺激時，光電二極體將光訊號轉化為電訊號並透過電晶體傳送出去，人工神經元電路接收到電訊號後學習如何響應訊號以及發出何種指令，機械手臂接收指令完成相應任務。

該團隊對他們的人工應激反應神經系統進行了實際測試，學習如何在最短的時間內接到自由落體的小球。在上方自然拋下一顆小球，機械手臂最終能夠以0.23秒的時間接住小球。

模仿人類的學習過程

所設計的人工神經系統利用人工智慧半導體裝置的學習和資料處理能力來控制機械手對重複光訊號的反應速度。這個過程類似於我們的眼睛透過突觸將電訊號傳輸到大腦的方式，然後大腦翻譯這些訊號，確定動作過程並向肌肉傳送命令以進行運動。所有這些操作都在不到一秒鐘的時間內完成。

在實驗的早期階段，系統的「大腦」將光訊號轉換成決定要把手舉起來的速度很慢，需要2.56秒。在反覆接收光訊號的刺激並留出時間進行處理之後，系統不斷學習，將該時間減少到0.23秒。研究人員表示，「人工神經系統正在模仿有意識的生物反應。」

該系統並不是第一個嘗試模仿人類對外部刺激的生物反應的系統。2018年的一篇論文詳細介紹了在面板內重建感覺神經元的嘗試，而2019年的一篇論文則專注於人工突觸的發展。研究人員指出，這類研究的目標之一是幫助患有神經疾病的人重新獲得對無法控制的器官和四肢的控制權。

加速類人機器人的實現

這項研究的結果為人工智慧半導體器件的未來研究提供了一個新的方向，因為它具有類似的實現人類生物訊號傳輸系統的優勢，它可以模擬有意識的反應，而不是透過資料處理和學習功能來進行簡單的訊號傳輸。

延世大學化學與生物技術系Jo Jung-ho教授聲稱，他們的人工神經系統是世界上第一個模擬人類意識反應的人工神經系統。「這項研究是一項使用人工智慧半導體裝置模擬人類訊號傳輸系統的研究，開闢了結合人工智慧半導體裝置和人體器官（人工修復和人工神經系統等）的未來醫療保健和機器人技術的可能性。」

此外，除了協助人類發揮輔助作用外，這種機器人技術還有望為能夠自己執行任務的更多獨立機器人實體提供希望。

英國謝菲爾德大學的喬納森·艾特肯（Jonathan Aitken）說：「該裝置的操作顯示出巨大的希望，特別是在人工協助任務或基於人體運動的機器人系統培訓中。」他認為，該系統可以與可穿戴裝置結合使用，透過跟蹤人們的移動方式創造出訓練有素的行為類似的機器人。

論文連結：http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abe3996

參考文章：

https://techxplore.com/news/2021-04-artificial-nervous-humans.html

https://www.newscientist.com/article/2274084-artificial-nervous-system-senses-light-and-learns-to-catch-like-humans/