基于光刺激的動物機器人行為控制技術研究

裴雷 沈宇 徐鳳云

摘 要：基于光刺激的動物機器人行為控制技術在動物機器人領域是一項新型動物機器人行為控制技術，利用動物對光刺激的應激性反應，達到活體動物按照控制者指令前行的效果，開拓全新的動物機器人方向。該技術旨在充分利用動物本身的運動性能、靈活性和隱蔽性，通過給動物穿戴控制設備，對動物進行無傷害控制，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)，結合這些實驗數(shù)據(jù)，我們選擇最佳的光學元件，將其與其他硬件集成，然后得到基于光刺激的動物機器人試驗樣機，進行理論研究的驗證。

關鍵詞：光遺傳學技術；光刺激；動物機器人；烏龜機器人；控制實驗

1 動物機器人的背景：

20世紀90年代以來，機器人技術的應用從制造領域逐漸擴充到非制造領域，因此基于非結構環(huán)境、極限環(huán)境下的先進和特種機器人技術及應用研究已成為機器人技術研究和發(fā)展的主要方向。歷經(jīng)35億年的物競天擇，動物體發(fā)展了靈活的運動機構和機敏的運動模式，這成為機器人發(fā)展新方向。

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

動物的神經(jīng)系統(tǒng)經(jīng)大自然的物競天擇后完善且復雜，由電信號完成信息傳遞，其精確性、靈活性、協(xié)調性、隱蔽性等機體性能遠高于當今市場上的傳統(tǒng)移動機器人，且動物機器人可自主覓食，輕松滿足其能量供給。而市場上現(xiàn)有的特種機器人存在著操作復雜、造價高昂、協(xié)調性差、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技術，其研究最先開始于神經(jīng)領域，它融合了光學和遺傳學的最新成果，在生物工程技術上應用廣泛，是一項生物學的創(chuàng)新技術。

在光遺傳學出現(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，這些方法的缺點在于不能特異性地對某一類神經(jīng)元進行精確控制。例如，突觸棘染色觀察突觸連接強度；電生理學刺激和反應記錄，在小鼠腦部植入微電極進行刺激并記錄小鼠神經(jīng)元的放電情況；生理學切除方法，切除某一特定功能腦區(qū)，觀察小鼠行為學上的變化，判斷該腦區(qū)與運動行為的對應關系。

光遺傳學技術的基本原理是：自然界某些生物體內存在一-種光敏蛋白，當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。利用光敏蛋白的這些特性，采用基因操作技術將光敏蛋白的基因轉入某些具有特定功能的細胞。光敏蛋白的基因在這種細胞中成功表達之后，用不同波長的光照刺激該細胞，該細胞的離子通透性會發(fā)生變化，離子通透性的改變使細胞膜兩側膜電位發(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。而光遺傳學技術是通過控制離子通透性，改變細胞膜兩側膜電位來控制神經(jīng)元的應答。光遺傳學技術對動物機器人控制的前提在于通過基因技術向神經(jīng)細胞導入了光感基因，光感基因攜帶了形成光通道蛋白的所有遺傳物質。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閉，進而控制了神經(jīng)細胞的活動，細胞膜上離子通道控制著離子的進出，離子濃度不同的時候會導致細胞膜電位發(fā)生變化。光遺傳學技術通過控制通道蛋白的開啟與關閉，直接控制神經(jīng)細胞的興奮和抑制，這種控制方式更趨近于模擬正常神經(jīng)細胞的活動狀態(tài)。

3市場應用：

在軍事領域，動物機器人可利用動物靈活小巧的身軀進入狹小空間，完成搜索、檢驗等高難度任務；

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

在救災搶險領域，可利用動物機器人快速搜查災區(qū)，定位幸存人員，提高救災人員搜救效率；

在醫(yī)療健康領域，動物意志控制技術對腦科學、神經(jīng)修復技術等的發(fā)展有重要意義；

在安保領域，動物機器人可對人類難以觸及的關鍵地點與節(jié)點進行排查，降低安全風險，增強安全保障。

參考文獻

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作者簡介：裴雷（1997-），男，漢族，鄭州大學機械工程學院2016級學生