面向動物機器人的遙測遙控技術(shù)研究進展

朱志堅，王 浩，王文波，戴振東

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

0 引言

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

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

1 研究現(xiàn)狀

1.1 遙控系統(tǒng)

動物腦電遙控遙測設(shè)備的研制始于20世紀30年代，1934年Light和Chaffee［5］利用電產(chǎn)生磁場，磁場感應(yīng)線圈產(chǎn)生電流，以猴子為實驗對象，實現(xiàn)了遙控刺激，但是這個系統(tǒng)比較繁瑣且效率較低。Lafferty和 Farrell［6］在1949年改進了這一系統(tǒng)，通過射頻提供一個磁場來激發(fā)線圈電流，但是遙控距離不足3米，顯然早期開發(fā)的這些裝置并不能滿足現(xiàn)代的神經(jīng)科學及生機電交叉學科研究的需要。近年來，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）微功率短距離無線通信

微功率短距離無線通信技術(shù)一般使用數(shù)字信號單片射頻收發(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單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，用戶不用對無線通信原理和工作機制有較深的了解，只要依據(jù)程序進行操作即可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能，因其功率小，開發(fā)簡單快速而應(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，美國紐約州立大學研制出多通道腦刺激遙控系統(tǒng)，刺激信號既可以是單極性信號也可以是雙極性信號。系統(tǒng)通過UHF發(fā)射器傳輸指令，通過背包的微處理器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。在復雜環(huán)境下信號的傳輸距離超過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)的第一軀體感覺皮層（SI），并給予適當?shù)拇碳?，可以使大鼠完成轉(zhuǎn)彎、前行、爬樹、以及跳躍等各種指定動作［9］。

圖2 微刺激器框圖［13］

圖1 發(fā)射基站A和背包B簡圖［8］

南京航空航天大學仿生結(jié)構(gòu)與材料防護研究所選用鴿子為研究對象，改進了系統(tǒng)，采用集成收發(fā)射頻芯片無線單片機CC1110利用模擬開關(guān)HCF4051實現(xiàn)8個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。成功的誘導鴿子左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及飛行的動作［10］（圖2）。

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

b）ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)通信

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

2010年中國科學技術(shù)大學研制出基于ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)通信的大鼠機器人。通過集成ZigBee射頻的芯片CC2 430產(chǎn)生雙極性脈沖，通信距離為50 m。這個系統(tǒng)的特點是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制器，可以控制多個機器人［17］。

c）藍牙通信

藍牙，是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)，使用全球通用的頻帶2.4 GHz。能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本計算機、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進行無線信息交換。利用“藍牙”技術(shù)，能夠有效地簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化設(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，為無線通信拓寬道路［16］。

2007年浙江大學開發(fā)出了一個動物機器人遠程控制訓練系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于藍牙通信，通過背包上的微處理器C8051F020產(chǎn)生刺激脈沖，實現(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］。

微功率短距離無線通信技術(shù)開發(fā)容易，功耗低，成本較低。藍牙技術(shù)是一項易安裝和設(shè)置、安全性高的即時技術(shù)，與微功率短距離無線通信技術(shù)相比成本較高。ZigBee與藍牙相比更簡單、速率更慢、功率及費用也更低［7］。

1.2 遙測系統(tǒng)

無線遙測技術(shù)在生物科學領(lǐng)域運用已有幾十年的歷史了。但是由于神經(jīng)元動作電位具有發(fā)放快速，腦電的信號微弱等特點，所以傳輸這種信號的遙測系統(tǒng)需要特殊的設(shè)計。早期 Skutt（1967）、McElligott（1973）、Eichenbaum（1977）、Pinlwart和Borchers（1987）等進行了無線遙測技術(shù)的改進研究，取得了一定的進展。近年來隨著對信號指標的進一步要求，一系列的新型的腦神經(jīng)活動遙測系統(tǒng)被相繼開發(fā)出來［19-21］。

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

2005年Vyssotski等研制出飛行鴿子的微型神經(jīng)信號記錄器［23］（圖3），記錄神經(jīng)信號和實現(xiàn)GPS定位，通過8通道的獨立采集，利用SD卡存儲和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)信號記錄器體積為59 mm×36 mm×4 mm。神經(jīng)信號記錄器、GPS記錄器和電池的總體積為66 mm×36 mm×18 mm，總質(zhì)量35 g。此實驗中記錄的神經(jīng)信號存儲在SD卡中，沒有經(jīng)過遠程傳輸，所以要求實驗對象有較好的歸巢能力。此記錄器現(xiàn)在已經(jīng)商品化，單價3 000歐元左右。

圖3 前置放大器和背包的框圖［22］

1.3 遙控和遙測系統(tǒng)結(jié)合

單獨的遙測或者遙控已經(jīng)不能滿足動物機器人研究發(fā)展的需要，研究者開始關(guān)心動物在刺激信號的作用下腦電的活性以及運動行為是否異常，這需要遙控和遙測的同時進行。將遙控和遙測集成與一體的系統(tǒng)是近幾年才有的報道，也取得了一定的成績。

a）射頻通信

2006年中國科學院自動化研究所宋衛(wèi)國等以大鼠為研究對象，研制出一種用于自由活動動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:強度3.3 V，單極性，脈沖持續(xù)時間: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的大鼠上，傳輸距離達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）藍牙通信

浙江大學研制出基于藍牙通信的便攜式腦電刺激和動物自由運動時神經(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/電壓刺激器和細胞活動記錄的特殊回路。另一部分是藍牙發(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對上述各類遙控遙測系統(tǒng)進行了歸納和對比。

表1 遙控遙測系統(tǒng)的對比簡表

2 結(jié)語

通過以上各種動物腦電遙測遙控系統(tǒng)的介紹，動物腦電遙測遙控系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得重大的進展，但是在通信距離、刺激方式、持續(xù)供電等方面還存在進一步改進的空間。

動物機器人現(xiàn)有的通信方式，無論是通過射頻收發(fā)芯片，藍牙，還是ZigBee網(wǎng)絡(luò)，距離都在幾百米以內(nèi)，這大大限制了動物機器人的工作范圍。改進或?qū)ふ倚碌耐ㄐ欧绞剑箘游镞b控系統(tǒng)通信距離可以達到幾千米或不受距離的限制，是當前動物機器人研究的主要發(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，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)用于動物機器人，這將大大提高動物機器人應(yīng)用范圍。動物機器人現(xiàn)有的遙控系統(tǒng)大都采用電壓刺激方式，但是電壓刺激對腦運動核團的刺激強度不穩(wěn)定，易受外界干擾。電流刺激可以克服這些缺點，且對動物運動誘導具有更好的重復性和更高的精度［27-29］，但是小型化的恒流源難以實現(xiàn)，導致電流刺激裝置難在小動物上實現(xiàn)?？梢姡瑢崿F(xiàn)電流刺激是當前動物機器人研究的一個發(fā)展方向。動物機器人現(xiàn)有的供電大都用鋰電池供電，其持續(xù)工作時間最長只有24 h，這大大制約了動物機器人的續(xù)航能力，另外電池的質(zhì)量對小型的動物機器人也是額外的負擔。目前已有研究者嘗試利用動作自身的化學能來發(fā)電［30］?？梢?，尋求新的供電方式，提高續(xù)航能力，是當前動物機器人研究的又一發(fā)展方向。

隨著生機電一體化前沿交叉學科的發(fā)展，在充分理解動物腦神經(jīng)活動規(guī)律和運動行為基礎(chǔ)之上開發(fā)的動物機器人將會具有更可靠的控制性，為人類提供了新型的機器人平臺，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，可以用于腦電遙測遙控系統(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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