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人間の皮膚-神経模写型人工感覚インターフェースシステムの概要

2021.07.12 13:00

KAISTは、バイオおよび脳工学科のS.J.PARK(パク·ソンジュン)教授の研究チームが、
高麗(コリョ)大学校のS.W.CHEON(チョン·ソンウ)教授、漢陽(ハンヤン)大学校のJ.S.KIM(キム·ジョンソク)博士の共同研究チームとともに、
人間の皮膚-神経模写型人工感覚インターフェースシステムを開発した。

特に、研究チームは指紋構造に作った感覚システムを約20種類の織物と接触することにより、
人工知能(AI)ディープラーニング技法を通じて織物の質感を99%以上分類できるだけでなく、
学習された信号を基に人間と同じく予測できることを示した、とのこと。

一般的に仮想/拡張現実(AR·VR)、メタバース、火傷患者のための人工皮膚、ロボット型義/手義足などに使用できる人工感覚システムは、
具現すべきの原理とそのシステムの複雑性のせいで実際の感覚器官のように作ることが困難な状況であった。

特に、人は多様なタイプの触覚受容器を通じて(圧力、振動等)情報を組み合わせて触覚を感知するので、
完璧な人工感覚システムの実現はさらに難しくなるしかない。

研究チームは問題を解決するために、ナノ粒子基盤の複合触覚センサーを製作し、
これを実際の神経パターン基盤の信号変換システムと連結する方法を用いた。

この二つの技術の組み合わせにより、研究チームは人間の触覚認識プロセスを
最大に模倣する人工感覚インターフェースシステムを実現することに成功した。

研究チームはまず圧電材料と圧電抵抗性材料の組み合わせで構成された電子皮膚を製作した。
このセンサーはナノ粒子の適切な組み合わせにより皮膚内の圧力を感知する遅い順応機械的受容器(Slowly Adapting mechanoreceptor)と
振動を感知する早い順応機械的受容器(Fast Adapting Mechanoreceptor)を同時に模写できる特徴を持っている。

当該センサーによって生成された電位は、研究チームが製作した回路システムを通じて実際の感覚信号のような形態のパターンに変換される。
この時、生体内の状況を最大限模写するために、実際の感覚神経を抽出し、様々な感覚による信号を測定して関数化する方法が使われた。

当該システムを動物モデルに適用した結果、研究チームは人工感覚システムから発生した信号が生体内で歪曲なく伝わり、
筋肉反射作用などの生体感覚関連現象を具現できることを確認した。

S.J.PARK教授は「今回の研究は実際の神経信号のパターン学習を基にした人間模写型感覚システムを世界で初めて具現したことに意義がある。
当該研究を通じて今後より現実的な感覚の具現が可能であるだけでなく、研究に使われた生体信号模写技法が
人体内の様々な種類の他感覚システムと結合された場合、より大きなシナジー効果を出せるようになると期待される」と述べた。

一方、今回の研究結果は7月3日、国際学術誌ネイチャーエレクトロニクス(Nature Electronics)に
「人工神経触覚感知システム(Artificial Neural Tactile Sensing System)」とのタイトルで掲載された。


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