朱志堅(jiān)，王 浩，王文波，戴振東

（南京航空航天大學(xué)a.自動(dòng)化學(xué)院，b.仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所，江蘇南京 210016）

0 引言

自然界的動(dòng)物歷經(jīng)幾億年的進(jìn)化，在運(yùn)動(dòng)靈活性和環(huán)境適應(yīng)性等方面有很多優(yōu)越能力。研究人員設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)模仿自然界中動(dòng)物的精巧結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理和行為方式等，創(chuàng)造了許多具有特殊功能的仿生機(jī)器人［1］，如機(jī)器蒼蠅、機(jī)器蜘蛛、機(jī)器蛙、機(jī)器魚(yú)、機(jī)器螃蟹、蛇形機(jī)器人、仿蚯蚓機(jī)器人和仿壁虎機(jī)器人等［2］。然而仿生機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、靈活性、可靠性、續(xù)航能力、簡(jiǎn)約的控制系統(tǒng)等方面還存在著難于在短期內(nèi)突破的技術(shù)瓶頸，而動(dòng)物機(jī)器人在這些方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此動(dòng)物機(jī)器人的研究近年來(lái)受到更多的重視［3］。所謂動(dòng)物機(jī)器人，就是將電子裝置與活體動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)合二為一。它是以活體動(dòng)物為載體，通過(guò)腦電遙控系統(tǒng)產(chǎn)生具有一定規(guī)律的電信號(hào)，施加到動(dòng)物具有特定功能的神經(jīng)核團(tuán)，誘發(fā)軀體運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和某些行為的人為控制。

動(dòng)物機(jī)器人特有的屬性決定了其在反恐、偵查、定點(diǎn)清除、醫(yī)療康復(fù)、危險(xiǎn)環(huán)境搜救以及狹小空間檢測(cè)等各方面的廣泛應(yīng)用前景［4］。隨著神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、微電子等技術(shù)的迅猛發(fā)展，它已成為現(xiàn)在科技研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。在動(dòng)物機(jī)器人研究中，一般動(dòng)物機(jī)器人是將電子裝置與活體動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)合二為一。它是以活體動(dòng)物為載體，通過(guò)腦電遙控系統(tǒng)產(chǎn)生具有一定規(guī)律的電信號(hào)，施加到動(dòng)物具有特定功能的神經(jīng)核團(tuán)，從而誘發(fā)軀體運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和某些行為的人為控制。通過(guò)腦電遙測(cè)系統(tǒng)，記錄神經(jīng)核團(tuán)的放電用于研究其神經(jīng)活動(dòng)規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)用于運(yùn)動(dòng)調(diào)控的腦電刺激方案。核團(tuán)的功能，以便于更好的研制動(dòng)物機(jī)器人?？梢?jiàn)“腦電遙測(cè)遙控技術(shù)”是動(dòng)物機(jī)器人研制過(guò)程中的關(guān)鍵因素之一。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 遙控系統(tǒng)

動(dòng)物腦電遙控遙測(cè)設(shè)備的研制始于20世紀(jì)30年代，1934年Light和Chaffee［5］利用電產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)感應(yīng)線圈產(chǎn)生電流，以猴子為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了遙控刺激，但是這個(gè)系統(tǒng)比較繁瑣且效率較低。Lafferty和 Farrell［6］在1949年改進(jìn)了這一系統(tǒng)，通過(guò)射頻提供一個(gè)磁場(chǎng)來(lái)激發(fā)線圈電流，但是遙控距離不足3米，顯然早期開(kāi)發(fā)的這些裝置并不能滿足現(xiàn)代的神經(jīng)科學(xué)及生機(jī)電交叉學(xué)科研究的需要。近年來(lái)，不少科研小組已經(jīng)投入到腦電刺激遙控系統(tǒng)的研發(fā)中。

a）微功率短距離無(wú)線通信

微功率短距離無(wú)線通信技術(shù)一般使用數(shù)字信號(hào)單片射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無(wú)線通信模塊，一般射頻芯片采用FSK調(diào)制方式，工作于ISM頻段，通信模塊一般包含簡(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡(jiǎn)單的加密協(xié)議，用戶不用對(duì)無(wú)線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解，只要依據(jù)程序進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸功能，因其功率小，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快速而應(yīng)用廣泛，但數(shù)據(jù)傳輸速度、流量都較小較適合搭建小型網(wǎng)絡(luò)［7］。

2004年，美國(guó)紐約州立大學(xué)研制出多通道腦刺激遙控系統(tǒng)，刺激信號(hào)既可以是單極性信號(hào)也可以是雙極性信號(hào)。系統(tǒng)通過(guò)UHF發(fā)射器傳輸指令，通過(guò)背包的微處理器BS1-IC產(chǎn)生刺激脈沖。背包體積為48 mm×23 mm × 19 mm，質(zhì)量為 28 g，使用 6 V、160 mAh鋰電池供電可以連續(xù)工作7 h。在復(fù)雜環(huán)境下信號(hào)的傳輸距離超過(guò)300 m［8］（圖1）。刺激大鼠的下丘腦的內(nèi)側(cè)前腦束（MFB）和左右兩側(cè)的第一軀體感覺(jué)皮層（SI），并給予適當(dāng)?shù)拇碳?，可以使大鼠完成轉(zhuǎn)彎、前行、爬樹(shù)、以及跳躍等各種指定動(dòng)作［9］。

圖2 微刺激器框圖［13］

圖1 發(fā)射基站A和背包B簡(jiǎn)圖［8］

南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所選用鴿子為研究對(duì)象，改進(jìn)了系統(tǒng)，采用集成收發(fā)射頻芯片無(wú)線單片機(jī)CC1110利用模擬開(kāi)關(guān)HCF4051實(shí)現(xiàn)8個(gè)通道輸出雙極性刺激脈沖。微刺激器的體積為30 mm×20 mm × 6 mm，質(zhì)量為7.3 g（包括鋰電池3.8 g）。用3.7 V、140 mAh鋰電池供電，可以持續(xù)工作5 h，通信距離為100 m。成功的誘導(dǎo)鴿子左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及飛行的動(dòng)作［10］（圖2）。

山東科技大學(xué)分別以集成收發(fā)射頻芯片CC1 000［11］和NRF9E5［12］研制了大鼠機(jī)器人，隨后又研制了鴿子機(jī)器人［13］。南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所以集成收發(fā)射頻芯片CC1 100研制了壁虎機(jī)器人［14］，鄭州大學(xué)以NRF905研制了大鼠機(jī)器人［15］。

b）ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)通信

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)［16］。Zig-Bee是一種無(wú)線連接，可工作在2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國(guó)流行）3個(gè)頻段上。

2010年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出基于ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)通信的大鼠機(jī)器人。通過(guò)集成ZigBee射頻的芯片CC2 430產(chǎn)生雙極性脈沖，通信距離為50 m。這個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制器，可以控制多個(gè)機(jī)器人［17］。

c）藍(lán)牙通信

藍(lán)牙，是一種支持設(shè)備短距離通信的無(wú)線電技術(shù)，使用全球通用的頻帶2.4 GHz。能在包括移動(dòng)電話、PDA、無(wú)線耳機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)化設(shè)備與因特網(wǎng)之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無(wú)線通信拓寬道路［16］。

2007年浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)出了一個(gè)動(dòng)物機(jī)器人遠(yuǎn)程控制訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于藍(lán)牙通信，通過(guò)背包上的微處理器C8051F020產(chǎn)生刺激脈沖，實(shí)現(xiàn)4通道的雙向輸出或8通道的單向輸出.背包體積為36 mm×22 m×15 mm，質(zhì)量為20 g，由兩節(jié)3.7 V、120 mAh的鋰電池供電能連續(xù)工作8 h，通信距離為 100 m［18］。

微功率短距離無(wú)線通信技術(shù)開(kāi)發(fā)容易，功耗低，成本較低。藍(lán)牙技術(shù)是一項(xiàng)易安裝和設(shè)置、安全性高的即時(shí)技術(shù)，與微功率短距離無(wú)線通信技術(shù)相比成本較高。ZigBee與藍(lán)牙相比更簡(jiǎn)單、速率更慢、功率及費(fèi)用也更低［7］。

1.2 遙測(cè)系統(tǒng)

無(wú)線遙測(cè)技術(shù)在生物科學(xué)領(lǐng)域運(yùn)用已有幾十年的歷史了。但是由于神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢痪哂邪l(fā)放快速，腦電的信號(hào)微弱等特點(diǎn)，所以傳輸這種信號(hào)的遙測(cè)系統(tǒng)需要特殊的設(shè)計(jì)。早期 Skutt（1967）、McElligott（1973）、Eichenbaum（1977）、Pinlwart和Borchers（1987）等進(jìn)行了無(wú)線遙測(cè)技術(shù)的改進(jìn)研究，取得了一定的進(jìn)展。近年來(lái)隨著對(duì)信號(hào)指標(biāo)的進(jìn)一步要求，一系列的新型的腦神經(jīng)活動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)被相繼開(kāi)發(fā)出來(lái)［19-21］。

2002年，Hawley等研制了記錄自由移動(dòng)老鼠的動(dòng)作電位的遙測(cè)系統(tǒng)［22］。主要運(yùn)用放大器TLV2262/TLV2264將信號(hào)放大再通過(guò)射頻傳輸，還運(yùn)用LED屏來(lái)追蹤老鼠的位置。背包質(zhì)量為34.9 g（其中電池18.4 g），電池持續(xù)工作時(shí)間超過(guò)24 h，傳輸距離20 m，如果采用螺旋狀天線，傳輸距離可以達(dá)到200 m。因神經(jīng)元信號(hào)很微弱，很容易被湮滅，所以采集到的信號(hào)要經(jīng)過(guò)放大處理，然后再傳輸。

2005年Vyssotski等研制出飛行鴿子的微型神經(jīng)信號(hào)記錄器［23］（圖3），記錄神經(jīng)信號(hào)和實(shí)現(xiàn)GPS定位，通過(guò)8通道的獨(dú)立采集，利用SD卡存儲(chǔ)和GPS定位。主要采用低噪聲、低壓的放大器AD8607/AD8609，10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器PIC8LF452。神經(jīng)信號(hào)記錄器體積為59 mm×36 mm×4 mm。神經(jīng)信號(hào)記錄器、GPS記錄器和電池的總體積為66 mm×36 mm×18 mm，總質(zhì)量35 g。此實(shí)驗(yàn)中記錄的神經(jīng)信號(hào)存儲(chǔ)在SD卡中，沒(méi)有經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)程傳輸，所以要求實(shí)驗(yàn)對(duì)象有較好的歸巢能力。此記錄器現(xiàn)在已經(jīng)商品化，單價(jià)3 000歐元左右。

圖3 前置放大器和背包的框圖［22］

1.3 遙控和遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)合

單獨(dú)的遙測(cè)或者遙控已經(jīng)不能滿足動(dòng)物機(jī)器人研究發(fā)展的需要，研究者開(kāi)始關(guān)心動(dòng)物在刺激信號(hào)的作用下腦電的活性以及運(yùn)動(dòng)行為是否異常，這需要遙控和遙測(cè)的同時(shí)進(jìn)行。將遙控和遙測(cè)集成與一體的系統(tǒng)是近幾年才有的報(bào)道，也取得了一定的成績(jī)。

a）射頻通信

2006年中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所宋衛(wèi)國(guó)等以大鼠為研究對(duì)象，研制出一種用于自由活動(dòng)動(dòng)物的微型多模式遙控刺激器［24］，該系統(tǒng)采用集成有射頻功能的芯片NRF24E1，產(chǎn)生單極性/雙極性的脈沖。微刺激器是18 mm×28 mm雙層線路板，質(zhì)量為5 g。微刺激器用3.6 V、650 mAh質(zhì)量為9 g的鋰電池供電，可以持續(xù)工作20 h。記錄主要是刺激（刺激脈沖:強(qiáng)度3.3 V，單極性，脈沖持續(xù)時(shí)間:0.4 ms，頻率 0.1 Hz）后相應(yīng)的反應(yīng)。

Ativanichayaphong［25］等于 2008 年將記錄系統(tǒng)［22］和刺激系統(tǒng)［8］結(jié)合在一起用在自由移動(dòng)的大鼠上，傳輸距離達(dá)300 m，系統(tǒng)的體積為 2.5 cm ×5 cm ×2.7 cm，質(zhì)量為20 g（不含電池）（圖4）。

圖4 發(fā)射板A的電路圖和刺激器B的電路圖［22］

b）藍(lán)牙通信

浙江大學(xué)研制出基于藍(lán)牙通信的便攜式腦電刺激和動(dòng)物自由運(yùn)動(dòng)時(shí)神經(jīng)元活性的記錄［26］。主要包括前置放大器，背包和PDA。前置放大器主要采用高輸入阻抗、高精度的放大器AD8222，體積為13 mm×16 mm×1.5 mm，質(zhì)量為3 g。背包包括2個(gè)部分，其中主板體積為36 mm×22 mm ×3.5 mm ，質(zhì)量為 40 g ，含電池20 g，主要是電流/電壓刺激器和細(xì)胞活動(dòng)記錄的特殊回路。另一部分是藍(lán)牙發(fā)射器，主要下載刺激的命令和上傳獲得的數(shù)據(jù)。主板的主要芯片是C8051F411，以及模擬轉(zhuǎn)換器Max4754。背包是由2個(gè)3.7 V、120 mAh聚合物電池供電，可以持續(xù)工作2 h，傳輸距離為100 m。

表1對(duì)上述各類遙控遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了歸納和對(duì)比。

表1 遙控遙測(cè)系統(tǒng)的對(duì)比簡(jiǎn)表

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上各種動(dòng)物腦電遙測(cè)遙控系統(tǒng)的介紹，動(dòng)物腦電遙測(cè)遙控系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得重大的進(jìn)展，但是在通信距離、刺激方式、持續(xù)供電等方面還存在進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

動(dòng)物機(jī)器人現(xiàn)有的通信方式，無(wú)論是通過(guò)射頻收發(fā)芯片，藍(lán)牙，還是ZigBee網(wǎng)絡(luò)，距離都在幾百米以內(nèi)，這大大限制了動(dòng)物機(jī)器人的工作范圍。改進(jìn)或?qū)ふ倚碌耐ㄐ欧绞剑箘?dòng)物遙控系統(tǒng)通信距離可以達(dá)到幾千米或不受距離的限制，是當(dāng)前動(dòng)物機(jī)器人研究的主要發(fā)展方向之一。如民用3G網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)已經(jīng)覆蓋了很多城市，傳輸距離遠(yuǎn)，且3G技術(shù)正日益趨于成熟和完善。如能將3G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于動(dòng)物機(jī)器人，這將大大提高動(dòng)物機(jī)器人應(yīng)用范圍。動(dòng)物機(jī)器人現(xiàn)有的遙控系統(tǒng)大都采用電壓刺激方式，但是電壓刺激對(duì)腦運(yùn)動(dòng)核團(tuán)的刺激強(qiáng)度不穩(wěn)定，易受外界干擾。電流刺激可以克服這些缺點(diǎn)，且對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)具有更好的重復(fù)性和更高的精度［27-29］，但是小型化的恒流源難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致電流刺激裝置難在小動(dòng)物上實(shí)現(xiàn)。可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)電流刺激是當(dāng)前動(dòng)物機(jī)器人研究的一個(gè)發(fā)展方向。動(dòng)物機(jī)器人現(xiàn)有的供電大都用鋰電池供電，其持續(xù)工作時(shí)間最長(zhǎng)只有24 h，這大大制約了動(dòng)物機(jī)器人的續(xù)航能力，另外電池的質(zhì)量對(duì)小型的動(dòng)物機(jī)器人也是額外的負(fù)擔(dān)。目前已有研究者嘗試?yán)脛?dòng)作自身的化學(xué)能來(lái)發(fā)電［30］?？梢?jiàn)，尋求新的供電方式，提高續(xù)航能力，是當(dāng)前動(dòng)物機(jī)器人研究的又一發(fā)展方向。

隨著生機(jī)電一體化前沿交叉學(xué)科的發(fā)展，在充分理解動(dòng)物腦神經(jīng)活動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)行為基礎(chǔ)之上開(kāi)發(fā)的動(dòng)物機(jī)器人將會(huì)具有更可靠的控制性，為人類提供了新型的機(jī)器人平臺(tái)，結(jié)合傳感器技術(shù)發(fā)展，一些特殊傳感器，如溫度傳感器、氣味傳感器、圖像傳感器、位置傳感器等，被研制出來(lái)，可以用于腦電遙測(cè)遙控系統(tǒng)完成一些特殊的用途。從而廣泛的為人類服務(wù)。

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