POSTECH-UNISTの共同研究チームは、スパイク信号を発生する人工受容体を用いた動的感覚システムを提案しています。今回開発したシステムは、実際の皮膚を模倣したリアルタイムの反応を可能にし、構造的にもシンプルさを実現しています。
私たちは、手足の触覚によって、物を取ったり、安定した歩行をすることができます。このように、皮膚は外界や刺激と人体をつなぐチャンネルとして機能している。これらの感覚機能がうまく働かないと、物をつかんだり使ったりすることが難しくなり、最悪の場合、火傷の原因となる熱などの危険な外的刺激から身を守ることができなくなります。そのため、人工皮膚やヒューマノイドロボットのために開発されている電気皮膚は、外部環境にリアルタイムで反応することが最も重要である。
ポステックのチョン・ウニョン教授とキム・テヨン博士候補（材料工学科）が率いる研究チームは、UNISTのキム・ソンフィル教授とキム・ジェフン博士候補（生体医工学科）と共同で、人間と同じように触覚を感じられる電子スキンを開発しました。
従来の電子皮膚は、センサーに構成された膨大な数のピクセルから来る電気信号を順次測定することでしか、触覚情報を処理することができなかった。そのため、画素が密集していると計測に時間がかかり、刺激に即座に反応する空間分解能の高い電子スキンを実現することが困難であった。
皮膚の感覚受容体1は、外部からの刺激に反応して電位という形でスパイク信号2スペクトルを生成し、その信号パターンを脳内で解析することで認識している。研究者らは、この皮膚感覚系の信号生成・認識機構をヒントに、自らスパイク信号を生成する人工感覚受容体を開発し、すべての信号を同時に送信してリアルタイムに解析できる電子皮膚を作製した。
生体信号は位置情報を持たないため、動的な外部刺激を高空間分解能で認識することが困難であった。この限界を克服するために、研究者らは、人工スパイク信号に位置情報を含ませることができることを初めて発表しました。この機能を搭載したe-skinは、位置や動きの軌跡などの空間情報、速度や動的接触面積などの時間情報を解析することができます。e-skinは、すべての人工受容器が1対の計測用電極で信号を伝達するため、従来のe-skinと比較して電極構造を簡素化することができました。
この技術を実際のロボットに適用したところ、外部からの刺激に対して人工皮膚が人間と同じように反応することが確認された。
「本研究の共同研究者であるPOSTECHのチョン・ウニョン教授は、「私たちの体は、電解質の柔軟な性質によって、電気信号を着実に発生させています。生体感覚のメカニズムを理解し、それを電解質材料で実現する方法を開発することで、損傷した患者の皮膚の触感を回復させたり、人間と感情的につながる能力を持つロボットを作ることができると期待している」と述べた。
本研究のもう一人の共同研究者であるUNISTのSung-Phil Kim教授は、"外部刺激をスパイク信号に変換して処理することは、人間の神経系が情報を処理する方法を模倣する画期的なアイデアです "と発言しています。さらに、"このスパイク情報符号化法を用いて新しいAIモデルを開発すれば、ロボットの触覚知能をさらに発展させ、ニューロモルフィックチップなどの次世代半導体技術に効果的に適用することができます。"と述べています。
この研究は、韓国国立研究財団の基礎研究実験プログラムおよび脳融合研究プログラムの支援を受けて実施され、国際学術誌「Science Robotics」に掲載されました。
1. 受容体
様々な刺激に反応する感覚神経の末端部
2. スパイク信号
外部からの刺激により、受容体内のイオン分布が変化し、電圧を発生した後、消滅する電気信号。
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