王振宇 皮喜田，2* 魏 亢 周升山 徐 林 劉洪英 鄭小林，2 彭承琳（重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400044）

2（重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，重慶 400030）

引言

目前，消化道診療設(shè)備已從傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡發(fā)展到無創(chuàng)的診療膠囊和腸道機器人。但是被動式的診療膠囊存在無法控制運動及姿態(tài)的缺點；主動式的腸道機器人雖能主動驅(qū)動又能在腸道中泊位，但其主動驅(qū)動仍然是瓶頸問題［1］。研究表明，基于仿生原理與機電系統(tǒng)相結(jié)合的腸道診療設(shè)備，距離實際應(yīng)用仍有諸多問題。

對生物機器人的研制始于上世紀90年代，其利用生物的特長代替人類完成人不能或者不敢完成的任務(wù)，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一［2］。在1997年日本東京大學(xué)的Shimoyama等研制的蟑螂機器人，利用蟑螂作為驅(qū)動，攜帶攝像裝置等可用于今后的搜救或收集情報［3］；2002年美國紐約州立大學(xué)的Talwar等研制出老鼠機器人，利用老鼠作為驅(qū)動裝置，用于搜救或收集情報［4］；之后，又陸續(xù)研制出海龜機器人、鯊魚機器人、鴿子機器人［5］、昆蟲機器人［6］以及壁虎機器人［7］等。由于生物機器人在能源供給等方面具有仿生機器人無可比擬的優(yōu)勢，本研究提出一種“基于微神經(jīng)電極控制的腸道生物機器人（Intestinal Bio-Robot，IBR）”，其利用生物體攜帶腸道診療裝置對腸道進行診療，通過電刺激方式對生物體的前進、停止、后退等運動行為進行控制，實現(xiàn)診療裝置在腸道內(nèi)主動前進、后退和定點泊位，利用生物體的極高能量效率及最佳運動機制，解決腸道機器人的驅(qū)動問題。

目前，控制生物體運動行為的方法幾乎都是將刺激電極植入其腦內(nèi)，實驗專業(yè)性要求很高，難度大，對生物體的身體損傷大。本文針對所選的生物-黃鱔，利用非條件反射，采用無創(chuàng)或者微創(chuàng)的方式安裝刺激電極進行刺激以控制其運動。刺激電極采用兩種，一種為穿戴式安裝在體表，無創(chuàng)，裝卸方便，可重復(fù)使用，成本低，具有很好的應(yīng)用前景；另外一種為植入式，植入到體表皮膚下層，雖然有微小創(chuàng)口，但對其身體損傷小，其刺激位點更加精確，固定效果好。使用該刺激控制系統(tǒng)對所選的黃鱔進行體外刺激實驗，刺激反應(yīng)明顯且具有重復(fù)性，為今后腸道生物機器人的研制提供重要的參考信息。

1 腸道生物機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

所設(shè)計的腸道生物機器人系統(tǒng)圖如圖1所示。其由兩部分組成，一部分是進入腸道內(nèi)的診療部分，另一部分是體外控制中心部分。診療部分由攝像裝置、外殼、生物體、刺激電極、體內(nèi)控制裝置、釋藥裝置組成；體外控制中心由計算機和無線收發(fā)裝置組成。生物體作為腸道診療部分的驅(qū)動裝置，通過體外控制中心遙控生物體的運動行為，實現(xiàn)腸道診療部分的前進、后退和定點泊位。

在生物體的軀干上安裝刺激電極之后置于外殼中，在外殼中按照生物體、水、氧氣的質(zhì)量比為1：1：3充入水和氧氣，再將外殼密封。外殼頭部前端與攝像裝置銜接，其尾端與控制裝置及釋藥裝置銜接。前端攝像裝置對腸道內(nèi)的圖像進行采集，通過無線收發(fā)裝置傳遞數(shù)據(jù)到計算機，然后計算機發(fā)射出刺激信號或者釋藥信號，通過無線收發(fā)裝置將信號傳輸?shù)襟w內(nèi)控制裝置，控制裝置接收到刺激信號時，將刺激信號傳遞到指定刺激電極，對生物體進行刺激以控制其前進、后退和停止；控制裝置接收到釋藥信號時，將釋藥信號傳遞到釋藥裝置，在腸道患處定點釋藥。最終實現(xiàn)進入腸道深部定點控釋藥物和完成釋藥后主動退回到體外的目的。

圖1 腸道生物機器人系統(tǒng)圖Fig.1 Intestinal bio-robot system

2 刺激控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 生物體的選取

腸道生物機器人所選用的生物為黃鱔（Mud eel），屬硬骨魚綱、輻鰭亞綱、鱸形總目、合鰓目，合鰓魚科，黃鱔亞科。

腸道的平均直徑在20～50mm，在腸道中運動主要受到兩類阻力，一方面來自于腸道組織表面的摩擦阻力，另一方面來自于推開前方塌陷內(nèi)腔的阻力［8］。所以對腸道診療部分的長度、質(zhì)量、表面和直徑等都有一定的要求［9］，基于上述要求同時參考國內(nèi)外目前研制的腸道機器人，選取體細長，全體裸露無鱗無鰭，體光滑，直徑在10mm左右的黃鱔，能夠滿足對診療部分直徑、長度的要求。其次，黃鱔適應(yīng)能力強，在水中含氧量十分貧乏時，也能生存。目前已有將黃鱔密封于袋中，然后通過在袋中按1：1：3的比例灌水和充氧的方法能保證其存活24h［10］。其次，黃鱔行動不甚敏捷，也無攻擊性，在外界有刺激時往往選擇躲避刺激，這有利于控制其在腸道中前進、后退或者停止。最后，隨著黃鱔養(yǎng)殖技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在其易于繁殖和飼養(yǎng)，價格也較低廉，能夠滿足需求。

2.2 運動控制機理

目前對魚類的神經(jīng)系統(tǒng)已有了解，黃鱔神經(jīng)系統(tǒng)可分為中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system）、周圍神經(jīng)系統(tǒng)（peripheral nervous system）和植物性神經(jīng)系統(tǒng)（vegetative nervous system）。中樞神經(jīng)系統(tǒng)包括脊髓和腦，周圍神經(jīng)系統(tǒng)包括脊神經(jīng)、腦神經(jīng)，植物性神經(jīng)系統(tǒng)包括交感神經(jīng)系統(tǒng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)［11］。

其參與反射活動的反射弧包括以下幾個環(huán)節(jié)：感受器-傳入神經(jīng)-中樞神經(jīng)-傳出神經(jīng)-效應(yīng)器［12］。黃鱔的外感受器-側(cè)線發(fā)達，其后側(cè)線位于頭后身體兩側(cè)各一條，稍向內(nèi)凹。側(cè)線神經(jīng)可分為前側(cè)線神經(jīng)和后側(cè)線神經(jīng)，后側(cè)線神經(jīng)是迷走神經(jīng)的分支，支配軀干部和尾部的機械感受器［13］。迷走神經(jīng)屬于腦神經(jīng)，其起點在延腦，能將各種感覺沖動傳達到中樞神經(jīng)。

所設(shè)計的刺激控制系統(tǒng)利用黃鱔的非條件反射，控制其前進的過程如圖2所示。首先，刺激器發(fā)出脈沖信號傳入后側(cè)線區(qū)域，然后通過迷走神經(jīng)將沖動傳達到中樞神經(jīng)，經(jīng)其分析、綜合活動后產(chǎn)生興奮，興奮傳遞到脊髓，再通過脊髓分配神經(jīng)控制黃鱔運動的兩種能力，一種是使得黃鱔的脊柱的每一橫斷面向一側(cè)彎曲使肌肉產(chǎn)生爆發(fā)力，接著另一側(cè)也如此進行而形成有節(jié)奏的交替；另一種是控制協(xié)調(diào)地沿軀體收縮相鄰的節(jié)段形成勻整的波形，最終調(diào)節(jié)其運動實現(xiàn)控制其前進的目的［14］。

圖2 控制運動過程Fig.2 Control the movement chart

2.3 刺激電極

2.3.1 刺激電極的設(shè)計

所采用的刺激電極分兩類：1）表面式刺激電極：由表面貼片微神經(jīng)電極和固定環(huán)組成；2）植入式刺激電極：由針狀微神經(jīng)電極和硅膠管、熱縮管組成。

所設(shè)計的表面式電極用于軀干部分，其電極為直徑2mm的鍍金微電極，將電極連接導(dǎo)線后嵌于厚度為0.5mm、寬為15mm的醫(yī)用硅膠圈內(nèi)，制成表面貼片微神經(jīng)電極。依據(jù)所選用的健壯成年黃鱔，體長（380±20）mm，軀干部周長（38±3）mm，所制作的硅膠圈直徑為10mm，固定環(huán)為直徑6mm、厚度0.5mm、寬度0.5mm的醫(yī)用硅膠圈。表面貼片微神經(jīng)電極的制作流程圖如圖3所示，所制作的表面貼片微神經(jīng)電極如圖4所示，其具體制作過程為，先在模具上刻出深度為0.5mm、長度為30mm、寬度為15mm的凹槽；將電極固定在凹槽的中間，中心間距為10mm的位置；按10：1的比例配制醫(yī)用硅膠，之后抽真空，再將其灌注在凹槽內(nèi)，直至硅膠上緣與凹槽邊緣相平；待硅膠完全凝成固態(tài)后，將硅膠薄層揭下；然后，將其放入空心的圓柱狀模具中，于薄層接頭處灌入新的硅膠；待干后取出，圈狀的表面貼片微神經(jīng)電極便制作完成。

所設(shè)計的植入式刺激電極用于尾部，由針狀微神經(jīng)電極和硅膠管、熱縮管組成。電極為直徑0.3mm、長度為35mm的不銹鋼針，針柄末端連接直徑為0.3mm的銅線，兩段絕緣硅膠管分別套于距離針尖5mm處和銅線接頭處，熱縮管包裹兩段硅膠管之間的部分。所制作的刺激電極如圖5所示。

圖3 表面貼片微神經(jīng)電極制作流程。（a）模具上刻出凹槽；（b）凹槽內(nèi)固定電極；（c）凹槽內(nèi)灌注硅膠；（d）使用空心圓柱狀模具；（e）將硅膠薄層放入模具內(nèi)；（f）在薄層中插入圓柱狀模具；（g）向薄層接口處灌入硅膠；（h）表面貼片微電極制成Fig.3 Process of make the surface mount micro-neural electrodes.（a）carve a groove on the mold；（b）the electrodes fixed into the groove；（c）infusion of silicone to the groove；（d）using hollow cylindrical mold；（e）the silica gel thin-layer into the mold；（f）the cylindrical mold inserted in the thin silica gel；（g）pour silica gel into the thin-layer interfaces；（h）the surface mount micro-neural electrodes is made

圖4 電極實物照片F(xiàn)ig.4 The kind photo of surface mount micro-neural electrodes

圖5 植入式刺激電極Fig.5 Implantable stimulating electrode

2.3.2 刺激電極的安裝

表面式刺激電極的安裝采用穿戴式，先將黃鱔麻醉，然后將表面貼片微神經(jīng)電極和固定環(huán)從尾部安裝到黃鱔的軀干上，如圖6所示。

安裝植入式刺激電極時，先將黃鱔麻醉，然后置于手術(shù)平臺上，選取尾部兩側(cè)的側(cè)線區(qū)域，將針狀電極與皮膚表面呈30°～40°角刺入黃鱔的側(cè)線皮膚，當(dāng)針尖位于真皮層和皮下組織之間的位置時，將針尖保持平行于黃鱔側(cè)線朝頭部方向前移，植入針尖的長度為5mm時停止，如圖7所示。

圖6 安裝刺激電極Fig.6 Installation stimulating electrode

2.4 刺激器

2.4.1 刺激參數(shù)測定實驗

以美國國家儀器公司（National Instruments，NI）的圖形編程語言LabVIEW軟件和該公司提供的數(shù)據(jù)采集卡PCI6221設(shè)計正相電壓脈沖刺激器，進行阻抗、刺激電壓、頻率、占空比的測定實驗。

圖7 植入刺激電極Fig.7 Implantation of stimulation electrodes

將黃鱔劃分為5個部分，頭部、軀干前部、軀干中部、軀干后部、尾部如圖8所示，軀干劃分的3個部分分別為軀干全長的1/3。測定市購20尾黃鱔的軀干前部、軀干中部、軀干后部、尾部區(qū)域里兩刺激位點間的體阻抗。為了盡量減少周圍水的干擾，采用測定兩電極間阻抗的方法。

圖8 黃鱔分區(qū)Fig.8 Mud eel Division

首先，測定軀干部分不同部位兩側(cè)側(cè)線區(qū)域間的阻抗，依次測得3個區(qū)域里每隔15mm位置的刺激點間的阻抗，再測定尾部不同部位兩側(cè)側(cè)線區(qū)域間的阻抗，依次測得每隔5mm位置的刺激點間的阻抗，直至尾末端無法植入電極的位置為止，如表1所示，由于黃鱔本身阻抗大，導(dǎo)線及電極的阻抗在計算中可忽略不計。

然后，用相位、幅值、頻率、占空比可調(diào)的正相電壓脈沖刺激器，其前面板如圖9所示，在平臺上對其軀干和尾部區(qū)域做電壓測試實驗。每次刺激前，將黃鱔置于坐標紙的基準線位置，盡量將身體放直，刺激持續(xù)時間30s，待刺激時觀察黃鱔的反應(yīng)，

依據(jù)其在基準線兩側(cè)的運動范圍，判斷其刺激反應(yīng)，判定標準如表2所示。依次測定軀干部分刺激電壓閾值如圖10所示，刺激電壓測定實驗的結(jié)果如表3所示。再測定尾部刺激電壓閾值如圖11所示，刺激電壓測定實驗的結(jié)果如表4所示。

表1 測定阻抗實驗結(jié)果Tab.1 Impedance measurement results

圖9 正相電壓脈沖刺激器前面板Fig.9 Positive phase voltage pulse stimulator front panel

圖10 刺激電壓測定實驗。（a）軀干后部刺激電壓測定；（b）軀干前部刺激電壓測定Fig.10 Stimulating voltage measurement.（a）Stimulating the back lateral lines of trunk to measure the voltage；（b）Stimulating the front lateral lines of trunk to measure the voltage

圖11 尾部刺激電壓測定實驗Fig.11 Stimulating voltage measurement

表2 刺激反應(yīng)判定標準Tab.2 The stimulation determine standard

表3 刺激電壓測定實驗結(jié)果Tab.3 Stimulating voltage measurement results

表4 刺激電壓測定實驗結(jié)果Tab.4 Stimulating voltage measurement results

然后進行頻率測定實驗，確定在1～5Hz的頻率下，黃鱔的反應(yīng)都穩(wěn)定。

最后，進行占空比實驗，根據(jù)占空比和脈寬的對應(yīng)關(guān)系，分別測定占空比范圍為0.1％～10％，增長步長0.05％，即脈寬范圍為500～5 000μs，增長步長為250μs時，觀測實驗黃鱔的反應(yīng)，確定在500～2 000μs范圍的脈寬既能使黃鱔出現(xiàn)刺激反應(yīng)，又不會導(dǎo)致黃鱔出現(xiàn)不良反應(yīng)。

2.4.2 正相電流脈沖刺激器

為了保證電刺激的效果不隨刺激電極間阻抗的變化而改變［15］，在電壓測試實驗的基礎(chǔ)上，采用LabVIEW軟件和NI公司的模擬輸出模塊NI9265設(shè)計正相電流脈沖刺激器用于后續(xù)實驗［16］。刺激電壓為2V時黃鱔反應(yīng)明顯、穩(wěn)定、不劇烈，既對刺激有反應(yīng)運動又消耗自身能量較慢，所對應(yīng)的軀干前部刺激電流在1.570～1.986μA，軀干中部刺激電流在1.533～1.976μA，軀干后部刺激電流在1.778～1.848μA，尾部刺激電流在1.667～2μA。所以，最終選用幅值為1.85μA、頻率為2Hz，脈寬為750μs的正相電流脈沖用于后續(xù)刺激實驗。

3 實驗方案及結(jié)果

3.1 實驗方案

在測定實驗的基礎(chǔ)上，進行塑料薄膜管中和模擬腸道中的體外刺激實驗，探索控制黃鱔前進的方法。首先，采用柔性塑料薄膜管模擬真實腸道的柔性環(huán)境，通過同時刺激黃鱔后側(cè)線神經(jīng)的一個或者多個位點，觀察刺激反應(yīng)，從中找出控制黃鱔前進的方法。市購12尾黃鱔進行實驗，將其分為4組，每組3尾黃鱔。進行軀干前部、軀干中部、軀干后部、尾部的單刺激位點實驗，將其麻醉后安裝電極，待其清醒后，置于直徑60mm的柔性塑料薄膜管中，施加電流脈沖分別刺激黃鱔軀干前部；軀干中部；軀干后部；尾部的側(cè)線神經(jīng)區(qū)域，每次刺激持續(xù)30s，同一實驗重復(fù)3次，觀察其反應(yīng)。在單位點刺激完成后，將前面4組黃鱔再次麻醉，從軀干前部、軀干中部、軀干后部以及尾部選取兩個位點同時刺激，刺激方式同上，觀察其反應(yīng)。

在此基礎(chǔ)上，采用模擬腸道模擬真實腸道迂回曲折的環(huán)境，模擬腸道直徑為15mm、總長為1 000mm，起始段為平直段、后接180°半圓弧和360°圓弧的彎曲段、最后為與水平面呈60°的上升段。市購24尾黃鱔進行實驗，將其分為8組，每組3尾黃鱔，分別刺激軀干前部、軀干中部、軀干后部、軀干前部和軀干中部、軀干前部和軀干后部、軀干中部和軀干后部、尾部、軀干前部和尾部側(cè)線區(qū)域。每次刺激持續(xù)30s，同一實驗重復(fù)3次，觀察其反應(yīng)。

3.2 實驗結(jié)果

在塑料薄膜管中完成多次實驗后，統(tǒng)計實驗結(jié)果如表5所示，總結(jié)出12尾黃鱔對于各種刺激的反應(yīng)：施加刺激后，黃鱔均會有逃避刺激的游動運動；當(dāng)刺激位點在軀干時或者同時在軀干和尾部時，會出現(xiàn)游動運動，如圖12所示，但同時也出現(xiàn)卷曲運動，如圖13所示，前進位移較?。浑S著刺激位點的增加，其反應(yīng)強度也會增加；在各種刺激方式中，刺激尾部的前進效果最好。

表5 塑料薄膜管中刺激實驗結(jié)果Tab.5 Stimulating result in the plastic film tube test results

圖12 游動運動。（a）刺激前；（b）刺激時向前游動；（c）刺激時向前游動；（d）停止刺激Fig.12 Swimming sports.（a）before stimulation；（b）stimulation of swimming forward；（c）stimulation of swimming forward；（d）cessation of stimulus

圖13 卷曲運動。（a）刺激前；（b）刺激時向后卷曲；（c）刺激時向后卷曲；（d）停止刺激Fig.13 Curl exercise.（a）before stimulation；（b）stimulation of curled backwards；（c）stimulation of curled backwards；（d）sessation of stimulus

在模擬腸道中完成多次實驗后，刺激實驗的結(jié)果如表6所示，總結(jié)出24尾黃鱔置于模擬腸道中對于各種刺激的反應(yīng)：在刺激軀干中部、軀干前部和軀干中部、尾部、軀干前部和尾部側(cè)線區(qū)域時，黃鱔均為前進運動，其中，刺激尾部中段側(cè)線區(qū)域時，黃鱔的運動速度最快，如圖14所示，統(tǒng)計所采用的刺激位點中出現(xiàn)前進的頻率在75％以上的前進速率如表7所示；在刺激軀干前部、軀干后部、軀干前部和軀干后部、軀干中部和軀干后部側(cè)線區(qū)域時，黃鱔出現(xiàn)了前進運動，同時也出現(xiàn)了后退運動。

圖14 刺激尾部前進。（a）開始刺激；（b）向前運動；（c）向前運動；（d）停止刺激Fig.14 Stimulate the tail to advance.（a）starting to stimulate；（b）moving forward；（c）moving forward；（d）cessation of stimulus

表6 模擬腸道中刺激實驗結(jié)果Tab.6 Stimulating results in the simulative intestinal tract test results

4 討論和結(jié)論

在塑料薄膜管中，當(dāng)刺激黃鱔軀干部分時出現(xiàn)卷曲運動，根據(jù)出現(xiàn)卷曲運動時，黃鱔會不斷去觸碰刺激電極；并且將安裝刺激電極的部位跟塑料薄膜管的管壁觸碰，所以初步分析出現(xiàn)該情況的主要原因是受到刺激后黃鱔經(jīng)過中樞神經(jīng)分析，想通過軀體碰觸刺激位點的方式去除掉刺激；當(dāng)刺激位點在尾部時，黃鱔僅有躲避刺激的游動行為，且前進效果好，分析出現(xiàn)該情況的原因是受到刺激后黃鱔經(jīng)過中樞神經(jīng)的分析，想通過向前游動遠離刺激位點所在位置來擺脫刺激。通過上述實驗黃鱔的不同反應(yīng)，證實了刺激系統(tǒng)對黃鱔運動進行控制的可行性。

表7 模擬腸道中刺激前進速率Tab.7 Stimulating in the simulative intestinal tract forward rate

在模擬腸道中，刺激軀干中部、軀干前部和軀干中部、尾部、軀干前部和尾部側(cè)線區(qū)域時，黃鱔均為前進運動，前進位移明顯，刺激反應(yīng)穩(wěn)定而且具有重復(fù)性。其中，刺激尾部中段側(cè)線區(qū)域時，黃鱔的運動速度最快，今后，可以采用該方式實現(xiàn)腸道生物機器人的前進驅(qū)動。在刺激軀干前部、軀干后部、軀干前部和軀干后部、軀干中部和軀干后部側(cè)線區(qū)域時，黃鱔出現(xiàn)了前進運動，同時也出現(xiàn)了后退運動，初步分析出現(xiàn)后退運動的原因有幾種：黃鱔想通過后退運動將刺激去除掉；黃鱔想離開模擬腸道的環(huán)境，嘗試通過后退運動離開模擬腸道。其后退的具體原因還有待于進一步研究。

本研究在選定腸道生物機器人所用生物-黃鱔的基礎(chǔ)上，了解其運動控制機理，設(shè)計了兩種刺激電極，根據(jù)電壓、頻率、占空比測定實驗的結(jié)果設(shè)計了基于LabVIEW的正相電流脈沖刺激器，采用刺激電極和刺激器構(gòu)成的刺激控制系統(tǒng)進行體外實驗。

在塑料薄膜管中的刺激實驗：12尾黃鱔對不同位點的刺激出現(xiàn)不同的反應(yīng)且具有重復(fù)性，證實了刺激系統(tǒng)對黃鱔運動控制的可行性。在上述刺激實驗中，刺激黃鱔尾部兩側(cè)側(cè)線區(qū)域時均為前進運動，前進位移明顯，前進速度快，反應(yīng)穩(wěn)定且具有重復(fù)性。今后，可以采用該方式實現(xiàn)腸道生物機器人的前進驅(qū)動。

本研究中實驗采用的黃鱔雖然在力量上滿足需求，但長度和直徑都較大，所以今后還需綜合考慮力量和體積因素；另外，黃鱔個體之間存在差異，目前的樣本量還不足以得出通用的參數(shù)閾值，今后還需擴大實驗樣本量。

由于對腸道生物機器人的研究處于起步階段，完成整個工程還需要今后的深入研究。本研究對用于控制其運動的刺激控制系統(tǒng)所做的初步研究，可為以后運動控制的研究提供信息。

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