生物机器人综述.doc

科技写作 学院（系）： 医疗器械与食品学院 年级专业： 生物医学工程 学生姓名： 朱安阳 学 号： 152631974 指导教师： 袁敏 摘要20世纪60年代以来，随着仿生技术、控制技术和制造技术进一步发展，现代仿生学和机器人科学相结合，在机器人的结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生以及群体仿生等多个方面取得了大量可喜成果和积极进展。然而，伴随着人类医疗诊断、探索太空、建设航天站、开发海洋、军事作战与反恐侦察等任务和需求的增加，人们对机器人的性能也提出了更高的要求，于是生物机器人应运而生。生物机器人就是完完全全和我们人类一样，用有生命的材料构成的而不是用金属材料构成的机器人。它们是利用自然界中的动物作为运动本体的机器人，通过把微电极植入与动物运动相关的脑核团或者方向感受区，并施加人工模拟的神经电信号，从而达到控制动物运动，利用动物特长代替人类完成人所不能和人所不敢的特殊任务。 与传统的仿生机器人相比，生物机器人在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性方面具有更明显的优势，可以广泛应用在海洋开发、探索太空、反恐侦查、危险环境搜救以及狭小空间检测等各方面。近年来对生物运动规律和动物机器人的研究受到更多的重视。本文主要对对国内外生物机器人的研制工作做了综述，并介绍其应用前景及对其未来发展进行了展望。关键词：生物机器人；运动诱导；神经控制；研究现状；发展方向1.课题的研究现状自20世纪90年代开始，生物机器人的研究历史仅有短短的10年，然而这短短十年又是生物机器人研究成果丰硕的十年，各国科研人员都相继开展了动物机器人的研究工作，尤其是美国，日本等科技发达国家，它们的研究成果代表着这一领域的最高水平，国在这一领域的研究尚在起步阶段，但也已有了不俗的进展。1.1 国外的研究现状在国外，美国、日本以及欧盟较早地开始了纳米生物机器人的研究。纳米生物机器人的组件可以是单个的原子或分子，但利用自然界存在的、具有一定结构和功能的原子团或分子的集合分子功能器件组装纳米机器人，更加高效和现实可行，即按照分子仿生学原理，利用大量存在的天然分子功能器件设计、组装纳米生物机器人。美国 2000年开始了国家纳米技术计划，国家卫生研究院(NIH)和国家癌症研究所(NIC)于2002年开展了DNA分子马达的研究。NASA高级概念研究院(NIAC)和Rutgers大学在2002年提出了纳米生物机器人研究50年发展规划；2002年日本Osaka大学启动了生命科学前沿研究计划，其中包括 ATP马达的研究；欧盟2002年正式推出了研究纳米技术的第6框架计划，其中纳米生物技术的研究重点为生物分子或复合物的处理、操纵和探测。图 11 昆虫机器人2007年，美国国防部高级研究计划局(DARPA)启动了昆虫微机电系统整合计划，旨在将微机电系统植入处于变态发育阶段的昆虫体内,从而将昆虫改造成为可以远程控制的“昆虫侦察兵”(图1-1)。其目标是造出至少能飞离控制器100m，在追踪目标5m范围内停留的半机器昆虫。2008年，康奈尔大学和的研究人员运用昆虫变态发育早期植入技术，首次将MEMS件植入烟草天蛾的蛹体内破茧7天前，待其发育成健康的成体飞蛾后，研究人员通过植入飞蛾体内的MEMS芯片6对控制飞行的肌肉发放刺激信号，成功实现了飞蛾翅膀扇动及飞行方向的控制。另外由加利福尼亚大学科学家主持的科研小组已成功把电极分别植入六月鳃角绿金龟控制飞行的神经中枢和肌肉内对神经进行刺激，负脉冲使它不断拍动翅膀飞离原地；而正刺激脉冲则使它短时间内停止飞行，通过迅速变换信号控制昆虫起落。09年初美国加州大学伯克利分校的研究人员成功进行了对犀牛甲虫的遥控实验，并在意大利索伦托举行的“MEMS2009”学会上公开了犀牛甲虫的遥控视频。研究人员将微型神经和肌肉刺激系统植入犀牛甲虫,在遥控状态下成功的控制了甲虫起飞、飞翔、转向和降落。图 12 鲨鱼机器人美国国防部高级研究计划局 (DARPA)正在进行将各种动物变成遥控间谍的“机器生命计划 ”。2006年，中国国防报报道，美国罗得岛州纽波特市美国海军海战中心(Naval Undersea Warfare Center，NUWC)在DARPA的资助下，正进行“鲨鱼特工 ”(图1-2)的研究计划：通过植入鲨鱼大脑的微电极对鲨鱼中枢神经系统的某些特定部位进行刺激来遥控鲨鱼的行为，将鲨鱼变成动物机器人，以远距离指挥鲨鱼秘密跟踪刺探敌方船只的运动，完成各种危险的间谍任务。目前，美国海军水下作战中心已开发出一种目的在于通过神经植入进行动物行为控制的电子标签。这种电子标签包含一个多通道神经记录和刺激装置，可用于遥控鲨鱼的研究，由于无线电信号不能在水下传播，科研人员计划采用声呐进行控制。控制者从海军声波信号塔发射出定向声呐，对鲨鱼行动进行控制。动物运动过程中除接受肌梭、腱器官等运动觉传入进行反馈性调节，还需要综合其它包括视觉、听觉和触觉等感受器的传入信息来进行调控。常见的蟑螂和苍蝇头部的触须、老鼠和猫嘴角两侧的胡须都是它们重要的触觉感受器，决定着这些动物的运动方向。日本东京大学Isao Shimoyama教授领导的研究团队在 1997年研制出蟑螂机器人，实现了蟑螂直线前进的人工控制(图1-3)。首先利用轨迹球计算机装置(图1-4)，获得了电刺激蟑螂触角传入神经进行运动诱导的合适刺激参数；然后，实验人员去除蟑螂翅膀和头上的触须，在触角(触觉感受器)处植入金属微电极，通过遥控刺激器并结合光学传感器的反馈，进行运动诱导，初步实现了控制蟑螂沿直线前进。此后，研究人员又进一步减轻遥控刺激器的重量，基本可以实现蟑螂的左右转，前移或者后退等运动的人工控制。图1-3 蟑螂机器人 图1-4 轨迹球装置 1.2 国内研究现状在国内，上海交通大学 DNA 计算机交叉团队是目前国内唯一从事纳米生物机器人研究的交叉科研团体，并提出了基于病毒的纳米生物机。上海交通大学DNA计算机交叉团队(BDCC)纳米生物机器人小组，利用自然界广泛存在的生物分子部件及其特性，结合机器人概念和特点，首次提出了通过直接改造病毒来构造纳米生物机器人的设想，从而开展以下方面的研究：通过改造病毒基因组及对病毒表面糖蛋白进行修饰，使基于病毒的纳米生物机器人可以对病变细胞进行识别和治疗，并通过内部修饰使基于病毒的机器人有条件地进行复制繁殖；通过控制病毒周围生理环境，如PH值、温度、离子浓度等，利用病毒的门控呼吸模型机制将病毒改造为定点给药机器人系统(DDS)，杀死病变细胞；通过对病毒复制过程进行研究和描述，综合相关环境变量、条件变量和状态变量，建立纳米生物机器人的自复制模型；对病毒结构和机械特性进行分析，对基于病毒的纳米生物机器人在微流体环境下的动力学和运动学进行研究，同时进行病毒侵染宿主细胞时蛋白质构象变化的动力学研究；另外，利用生物分子部件的生物兼容性及DNA的互补装配特性，开展DNA计算机与纳米生物机器人接口的研究，目标是将BDCC研制的DNA计算机移植到基于病毒的纳米生物机器人中，对人体细胞内生理信号进行监测，实现真正具有控制芯片的纳米生物机器人系统。基底神经节是大脑皮层下一些神经核团的总称，是大脑皮层下的一个运动调节中枢，其主要结构是纹状体。鸟类的纹状体高度发达，是其最高级的运动中枢。2007年，山东科技大学完成了鸽子机器人(图1-5)的研制。他们用计算机产生具有一定规律的电信号编码，通过植入家鸽丘脑的腹后外侧核和古纹状体内的数根微电极，施加人工干预控制指令，使家鸽在人工诱导下实现了起飞、盘旋、左转、右转、前进等特定动作。 图1-5 鸽子机器人脑干的许多核团和脑区具有重要的运动调控功能。电刺激脑干不同区域可以诱发动物的攻击，防卫，转圈和逃跑等运动行为。南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所作为国内较早开展动物机器人研究的单位之一。研究人员以大壁虎为研究对象，利用自制大壁虎的脑立体定位仪系统，发现电刺激中脑可以诱导大壁虎的转向运动 (图1-6)，进一步的实验表明,通过刺激中脑内相关的核团可以实现对大壁虎转向运动的诱导。以此为基础，近期研究人员还在通道中成功实现了大壁虎八字形运动诱导。图 1-6 植入电极的大壁 2.生物机器人的前景21世纪将是一个生物机器人迅猛发展的世纪。生物机器人不但可以提高工人的生产效率，还可以代替人类从事乏味、劳累和危险的工作，甚至完成人类所不能胜任的工作，因而日益受到人们的重视。随着人类探索太空、建设航天站、开发海洋、军事作战与反恐侦察等任务和需求的增加，人们对机器人的性能提出了更高的要求。 安全保卫方面的需求。目前针对非常重要人员的安全保卫，需要对其活动的场所及其周边的各种可能通道做出检查。其中狭小空间的检测多数选用身材瘦小的侦察员来完成。这种方法对人员素质要求高、而且工作环境恶劣、效率低。而生物器人体形小，速度快，可以方便地代替人类完成狭小空间（如大楼管道系统、中央空调的管道系统等）侦查任务。传统的运动功能障碍的康复手段，都需要病人有一定程度的自主运动控制能力，因此，对那些完全瘫痪的病人是不适用的。现在如果采用脑机接口技术，即利用人脑信号直接控制外部设备， 就可以帮助神经肌肉系统瘫痪的病人实现与外界的交流（如环境控制、轮椅控制、操作计算机等）。这种技术还可以用于控制康复机器人，帮助运动障碍患者进行康复训练。另外，对复杂危险环境（如倒塌建筑物内）的搜救，目前广泛使用搜救狗、机器蛇和光纤软管。与之对比，生物机器人能够在各种几何表面和更加狭小的空间实现无障碍运动，速度快，成效显著。3.总结从国内外的研究现状可以看出，动物机器人的研究对象正不断增加：从无脊椎动物(各种昆虫，如蟑螂) 到脊椎动物，从低等脊椎动物(如软骨鱼类：白斑，角鲨)到两栖类(海龟)和爬行动物(大壁虎)，从鸟类(鸽子)到高等哺乳动物(小白鼠、大白鼠)，其研究对象几乎遍布生物进化的各个不同阶段。同时，控制生物的方法、手段也不尽相同，并伴随不同学科、技术的融合而不断发展。控制从有线到无线，从单纯的神经肌肉刺激诱导，到利用奖赏机制结合脑内电刺激进行的刺激诱导；以及利用黑箱原理，通过对动物在某一特定行为中相关控制中枢的神经信号提取，经分析、解码，然后用计算机模拟重构神经电信号，再通过适当接口(脑机接口)引入动物的神经系统进行的运动诱导。动物机器人正由起初的基本可控向着更可靠、更精细的方向不断前进，并进一步深化人们对动物脑部运动等行为控制的认识，促进脑功能研究的发展。近年来，随着神经科学、分子生物学、计算机科学、微电子技术等的迅猛发展，这些看似毫不相关的学科，已经并正在迅猛地发生着交叉融合，极大地推动了以自然为基础的生物机器人的发展。但是这些仿生机器人跟真正的动物相比还有较大的差距，其在运动平稳性、灵活性、健壮性、环境适应性及能源利用率等方面远远落后于动物，电源容量成为限制机器人工作时间的瓶颈，且难于在短时间内获得大幅度改善。生物机器人与一般的工业机器人，生物机器人相比有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性，但是由于受到生物学 ，神经学 ，控制技术 ，通讯技术，传感技术以及数学方法等相关学科发展的制约，至今基本上仍处于实验室研制的阶段。尤其是在克服生物疲劳性，适应性以及可靠实现预期运动行为等方面还不是十分理想，离实际应用还有相当长的一段距离。此外生物机器人也不应仅局限于控制生物的运动行为，还应该研究如何通过生物的视觉 ，触觉和听觉来为人类服务。4.参考文献 1 Arabi K Sawan M ,. Implantable multiprogrammable microstimulator dedicated to bladder control.J. Medical & Biological Engineering & puting, 1996, 34(34):9-12.2 Dillard JP, Weber K M, Vail R G.The Relationship Between the Perceived and Actual Effectiveness of Persuasive Messages: A MetaAnalysis With Implications for Formative Campaign ResearchJ.Journal of munication, 2007, 57(4):613-631.3 Holzer R,Shimoyama I. Lootion control of a bio-robotic system via electric stimulationC/IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots & Systems, Iros. 1997:1514-1519 vol.3.4 Kuwana Y, Shimoyama I, Miura H. Steering control of a mobile robot using insect antennaeC/Intelligent Robots and Systems 95. Human Robot Interaction and Cooperative Robots, Proceedings. 1995 IEEE/RSJ International Conference on. IEEE, 1995:530-535 vol.2.5 Elmorshidy A. BRAIN CHIP IMPLANTS: CONTROLLING MOVEMENTS WITH THOUGHT ALONE: THE IMPOSSIBLE BEES REALITYJ. Review of Business Research, 2011, :11(:1).6 蒋怀伟，贺林.纳米生物机器人研究与进展.机器人，2005，27(05). 7 王文波，戴振东.动物机器人的研究现状与发展. 机械制造与自动化，2010.8 张秀丽.机器人仿生学研究综述 J .机器人，2002,24(02)：188192.汤大同.生理学与自动化科学的联姻谈目前对智能动物研究的悄然兴起.辽宁大学学报(自然科学版)，2004.9刘力.果蝇:基因、脑和行为.世界科技研究与发展，2000, 22(6):46-49.10 王勇，苏学成.动物机器人的实验研究.生物物理学报，2005.11 王裕清. 生物机械工程研究进展.中国工程科学，2005,07(11).12 王田苗，孟德，裴葆青.仿壁虎机器人研究综述J.机器人，2007, 29(3).