基于光刺激的動物機(jī)器人行為控制技術(shù)研究

裴雷 沈宇 徐鳳云

摘 要：基于光刺激的動物機(jī)器人行為控制技術(shù)在動物機(jī)器人領(lǐng)域是一項新型動物機(jī)器人行為控制技術(shù)，利用動物對光刺激的應(yīng)激性反應(yīng)，達(dá)到活體動物按照控制者指令前行的效果，開拓全新的動物機(jī)器人方向。該技術(shù)旨在充分利用動物本身的運(yùn)動性能、靈活性和隱蔽性，通過給動物穿戴控制設(shè)備，對動物進(jìn)行無傷害控制，實現(xiàn)控制活體動物。本文以烏龜為研究對象，對烏龜進(jìn)行光刺激實驗，用不同波長的光刺激烏龜，得到實驗數(shù)據(jù)，結(jié)合這些實驗數(shù)據(jù)，我們選擇最佳的光學(xué)元件，將其與其他硬件集成，然后得到基于光刺激的動物機(jī)器人試驗樣機(jī)，進(jìn)行理論研究的驗證。

關(guān)鍵詞：光遺傳學(xué)技術(shù)；光刺激；動物機(jī)器人；烏龜機(jī)器人；控制實驗

1 動物機(jī)器人的背景：

20世紀(jì)90年代以來，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用從制造領(lǐng)域逐漸擴(kuò)充到非制造領(lǐng)域，因此基于非結(jié)構(gòu)環(huán)境、極限環(huán)境下的先進(jìn)和特種機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用研究已成為機(jī)器人技術(shù)研究和發(fā)展的主要方向。歷經(jīng)35億年的物競天擇，動物體發(fā)展了靈活的運(yùn)動機(jī)構(gòu)和機(jī)敏的運(yùn)動模式，這成為機(jī)器人發(fā)展新方向。

動物機(jī)器人是一種將機(jī)械電子設(shè)備與動物機(jī)體相結(jié)合的混合型機(jī)器人，人類可通過施加可被生物感知的干預(yù)信號調(diào)控動物的生物意志從而實現(xiàn)控制動物行為。動物機(jī)器人可充分利用動物的靈活的協(xié)調(diào)能力、天然隱蔽能力和優(yōu)越的環(huán)境適應(yīng)能力等優(yōu)勢，協(xié)助人類完成一些特殊任務(wù)。因此把動物與研制的電子裝置相結(jié)合構(gòu)成可受人類控制的動物機(jī)器人成為當(dāng)今世界備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。

動物的神經(jīng)系統(tǒng)經(jīng)大自然的物競天擇后完善且復(fù)雜，由電信號完成信息傳遞，其精確性、靈活性、協(xié)調(diào)性、隱蔽性等機(jī)體性能遠(yuǎn)高于當(dāng)今市場上的傳統(tǒng)移動機(jī)器人，且動物機(jī)器人可自主覓食，輕松滿足其能量供給。而市場上現(xiàn)有的特種機(jī)器人存在著操作復(fù)雜、造價高昂、協(xié)調(diào)性差、能源供給被動等難以解決的缺陷，且其體型笨重，肢體僵硬導(dǎo)致功能單一、行動受限，給人類帶來難以避免的問題。

2 控制原理：

光刺激屬于光遺傳學(xué)技術(shù)，其研究最先開始于神經(jīng)領(lǐng)域，它融合了光學(xué)和遺傳學(xué)的最新成果，在生物工程技術(shù)上應(yīng)用廣泛，是一項生物學(xué)的創(chuàng)新技術(shù)。

在光遺傳學(xué)出現(xiàn)之前，對腦神經(jīng)環(huán)路的研究大多停留在對某一區(qū)域的刺激上，這些方法的缺點(diǎn)在于不能特異性地對某一類神經(jīng)元進(jìn)行精確控制。例如，突觸棘染色觀察突觸連接強(qiáng)度；電生理學(xué)刺激和反應(yīng)記錄，在小鼠腦部植入微電極進(jìn)行刺激并記錄小鼠神經(jīng)元的放電情況；生理學(xué)切除方法，切除某一特定功能腦區(qū)，觀察小鼠行為學(xué)上的變化，判斷該腦區(qū)與運(yùn)動行為的對應(yīng)關(guān)系。

光遺傳學(xué)技術(shù)的基本原理是：自然界某些生物體內(nèi)存在一-種光敏蛋白，當(dāng)不同波長的光照射該光敏蛋白的時候，這種光敏蛋白會產(chǎn)生不同的響應(yīng)。利用光敏蛋白的這些特性，采用基因操作技術(shù)將光敏蛋白的基因轉(zhuǎn)入某些具有特定功能的細(xì)胞。光敏蛋白的基因在這種細(xì)胞中成功表達(dá)之后，用不同波長的光照刺激該細(xì)胞，該細(xì)胞的離子通透性會發(fā)生變化，離子通透性的改變使細(xì)胞膜兩側(cè)膜電位發(fā)生變化，從而使帶有該基因的神經(jīng)元在光照刺激下產(chǎn)生應(yīng)答。

光刺激的優(yōu)勢體現(xiàn)在下面幾個方面：電刺激方式的整個過程都會對神經(jīng)元產(chǎn)生創(chuàng)傷，植入神經(jīng)元的電極在放電過程中會對周圍神經(jīng)元以及組織的正常生理活動產(chǎn)生影響，實驗提取的數(shù)據(jù)往往不精準(zhǔn)。而光遺傳學(xué)技術(shù)是通過控制離子通透性，改變細(xì)胞膜兩側(cè)膜電位來控制神經(jīng)元的應(yīng)答。光遺傳學(xué)技術(shù)對動物機(jī)器人控制的前提在于通過基因技術(shù)向神經(jīng)細(xì)胞導(dǎo)入了光感基因，光感基因攜帶了形成光通道蛋白的所有遺傳物質(zhì)。以光通道蛋白為媒介，光刺激器發(fā)出的信號通過控制通道蛋白的開啟與關(guān)閉，進(jìn)而控制了神經(jīng)細(xì)胞的活動，細(xì)胞膜上離子通道控制著離子的進(jìn)出，離子濃度不同的時候會導(dǎo)致細(xì)胞膜電位發(fā)生變化。光遺傳學(xué)技術(shù)通過控制通道蛋白的開啟與關(guān)閉，直接控制神經(jīng)細(xì)胞的興奮和抑制，這種控制方式更趨近于模擬正常神經(jīng)細(xì)胞的活動狀態(tài)。

3市場應(yīng)用：

在軍事領(lǐng)域，動物機(jī)器人可利用動物靈活小巧的身軀進(jìn)入狹小空間，完成搜索、檢驗等高難度任務(wù)；

在刑偵領(lǐng)域，可利用遙控控制功能監(jiān)視、跟蹤不法分子，進(jìn)行反恐與刑事偵查；

在救災(zāi)搶險領(lǐng)域，可利用動物機(jī)器人快速搜查災(zāi)區(qū)，定位幸存人員，提高救災(zāi)人員搜救效率；

在醫(yī)療健康領(lǐng)域，動物意志控制技術(shù)對腦科學(xué)、神經(jīng)修復(fù)技術(shù)等的發(fā)展有重要意義；

在安保領(lǐng)域，動物機(jī)器人可對人類難以觸及的關(guān)鍵地點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排查，降低安全風(fēng)險，增強(qiáng)安全保障。

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作者簡介：裴雷（1997-），男，漢族，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2016級學(xué)生