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动物机器人

萌宠菠菠乐园
2024-12-17 21:09

脑动物机器人是一种基于脑机接口技术构建的新型机器人系统。以动物为运动载体,通过手术将剌激电极植入动物脑部运动相关核团和感受区,并施加微电流刺激,使其产生“虚拟”的运动意向和运动感受,来实现对动物运动行为的控制。

研究对象是：动态的不确定的环境中工作的自主、半自主的机器人。

研究方法是：从生物系统的各个层次获得启发，动态平行应用从上向下和从下向上的研究方法，也即太极研究方法，更多地运用综合策略。

研究内容是：

1. 仿生物机构、驱动器、传感器；

2. 仿生物计算工具；

3. 系统结构与智能结构；

4. 意识、动机、情感、成长、相互作用、技能、语言、学习、知识、知觉、行为实现、思考等认知能力；

5. 系统设计与制造。

上世纪80年代,科学家将灵长类和其他动物的神经系统与一些仪器相连,用来记录这些动物的脑电活动,并对相关脑区的功能加以推断,试图通过电刺激来控制他们。研究过程中发现,通过这种仪器可以对于恢复动物脊髓损伤、中风、神经系统损伤等疾病的恢复产生一定的效果。研究人员将这种技术称为“脑机接口”,从此,通过计算机或相关仪器来对动物大脑的研究被广泛的应用。

美国纽约州立大学是世界上最早进行动物运动控制研究的机构之一。2002年,美国纽约州立大学的桑吉夫.塔尔瓦尔领导的一个研究小组制造出了世界上第一只芯片“老鼠”,成功实现了对大鼠的无线电遥控控制。塔尔瓦尔的研究小组在大鼠的脑里埋设了微电极,并在老鼠头部安装了一支微型天线用来接收无线电信号。研究人员通过掌上电脑遥控指挥,这只老鼠在设计好的三维迷宫中行动自如。2002年5月,塔尔瓦尔的研究小组在《自然》杂志上报告说,他们使用这种装置,可以灵活地控制大鼠绕过障碍物、爬上楼梯和走下斜坡[3][4]。从而实现了动物能够按照人们的意识或要求进行人为控制的运动。

杜克大学的Miguel Nicolelis在利用脑电信号控制外部设备方面进行了卓有成效的研究,成功实现了利用夜猴内皮层运动神经元的信号来控制机器人手臂的实验,实现了世界上第一个利用脑波遥控机械臂的实验。在2006年Nicolelis完成了一项最著名的远距离实验。在美国,获取一只猴子实际运动时大脑部分神经元的信号,将获取的神经信号通过互联网传输,成功地实现了用这些信号控制一个远在日本的机器人运动。

美国罗得岛州纽波特市美国海军海战中心的沃特·哥梅斯博士将芯片植入鳖鱼的脑部,并将它们放回海洋,控制者从海军声波信号塔发射出定向声呐, 对鳖鱼行动进行控制。目前,美国海军已经在佛州海岸的海面建立了大量声波信号塔,利用这些塔可以对320公里之外的鳖鱼进行控制。

浙江大学求是高等研究院在2006年开发了手动控制的动物机器人导航系统。通过植入大鼠脑部相应神经的四对电极,施加电刺激,实现了对大鼠的运动进行的控制,包括老鼠“向左”、“向右”、“向前”、“转身向后”、“爬上比较高的阶梯”和“穿越狭小的轨道”等动作[6]。

山东科技大学也在该方向进行了研究,2006年通过对大鼠植入电极,成功实现对大鼠的运动控制;2007年山东科技大学机器人研究中心通过编码电信号刺激鸽子的某些神经位点,控制鸽子能在飞行中向前飞、向左飞和向右飞,或在空中盘旋,甚至达到特定的地点等动作。

南京航空航天大学设计了易于CC1000的遥控系统,实现了对壁虎的行为控制。刺激器重130g,大小为31mm*39mm*22mm。

高等动物的行为中必不可少的部分包括反应和应答。现代科学已经证实,脊椎动物拥有发达的中枢神经系统,动物的应答反应来源于高等动物的运动器官和复杂感受功能。高等动物的行为包括了两个状态:进食行为的脑内刺激,其机理为饥饿感;视觉与其他的感觉神经,发现食物会产生外刺激。内在状态被称为动机。而外在的感受器接受信息,最终形成神经冲动,神经冲动会随着神经进入中枢神经,最终由中枢神经进行决策行为。运动神经送到肌肉或腺体等终端器官,最终形成了反应。反射是通过神经系统对环境刺激的响应。反射包括了非条件反射和条件反射。非条件反射是天生的,条件反射通过训练形成。

利用BCI技术,动物的神经系统可以与外围的设备或是其他终端进行通讯。把电剌激波形输入相关大脑的皮层或相应功能核团,尽量减少环境因素或大鼠本体意愿对刺激产生的行为的干扰,通过一系列条件反射的熟悉过程,建立长期有效,同时运行稳定的模式刺激——行为响应的模型,最终实现利用电剌激方式实现对动物行为的控制的目的。

系统从宏观上分为刺激器、控制终端和通讯接口。其中刺激器分为数字部分、模拟部分。通讯接口包括蓝牙传输套件，控制终端主要为电脑。

图1 大鼠硬件系统示意图

硬件系统中最核心的部分就是剌激器,刺激器分为电源模块、控制模块、波形发生模块和输出模块。如图2所示,各部分概述如下:

1)电源模块:采用美国德州仪器公司(Texas Instruments)生产的TPS61040升压芯片和TPS79330降压LDO芯片。负责产生正负供电电压和专供单片机使用的3V电压稳压电路。

2)控制模块:采用了美国SiliconLabs公司出品的C8051F007单片机作为控制核心,负责实现电路所有逻辑控制、电路波形发生和控制、与PC机指令的通讯等职能。

3)波形发生模块:采用了Analog Device公司出品的AD620芯片作为主控芯片,并在外部搭载相应的外围电路,产生恒流性的刺激波形。

4)输出模块:输出模块采用了DG409芯片来进行多通道的选择。主要用于产生多通道的剌激波形。

系统的软件部分包括了上位机软件和下位机软件。其中上位机软件可以实时调节刺激波形的脉冲宽度,脉冲频率,脉冲个数等参数,可以对串口进行选择性打开,并将剌激参数保存到本地文件,与不同的大鼠一一对应,在使用同一大鼠的时候可以加载此文件。整个界面简洁明了,不同的区域划分清楚。

软件界面如图3所示。

图3 系统上位机软件界面

区域A代表不同通道对应的参数,区域B代表实验者发出指令的控制区域。区域C代表加载管理方案的功能,可以增添对应于不同大鼠的参数文本并适时提取使用。使用的具体流程为,首先连接蓝牙的发送模块,等待蓝牙模块出现配对成功标志。找到在PC中对应的串口编号,在B窗口中打开串口选择菜单,找到对应的编号并打开。打开成功后配置相应的通道,手动输入需要的间隔、宽度、数量、幅度、个数等值,然后点击“前”、“后”、“右”、“停”等即可刺激相应的脑区。

下位机的软件由C语言编写,采用Keil C51集成环境开发,程序编译成功后利用JTAG线下载到C8051F007的片内ROM中进行调试。调试成功后即可运行。

[1]^Tangermann, M., et al., Review of the BCI Competition IV. Front Neurosci, 2012. 6: p. 55..

[2]^章鑫露, 大鼠机器人自动控制模型与方法. 浙江大学, 2013..

[3]^Wessberg, J., et al., Real-time prediction of hand trajectory by ensembles of cortical neurons in primates. Nature, 2000. 408(6810): p. 361-5..

[4]^Velliste, M., et al., Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding. Nature, 2008. 453(7198): p. 1098-101..

[5]^Xu, S., et al., A multi-channel telemetry system for brain microstimulation in freely roaming animals. J Neurosci Methods, 2004. 133(1-2): p. 57-63..

[6]^Pfurtscheller, G., et al., 'Thought'--control of functional electrical stimulation to restore hand grasp in a patient with tetraplegia. Neurosci Lett, 2003. 351(1): p. 33-6..

[7]^杨科峰, 基于BCI的大鼠运动行为控制的研究. 郑州大学, 2011..