水生动物机器人的研究现状与进展.pdf

102020/00500001200205:0112023年10 月Chinese Journal of Biomedical Engineering2023October中No.5医生42卷5期Vol.42国报程物学学水生动物机器人的研究现状与进展彭勇1,2,3#*张慧赵洋赵政间育栋韩领军！（燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛066004)2（燕山大学极端条件下机械结构和材料科学国防重点学科实验室，河北秦皇岛066004)（燕山大学海洋科学与工程研究院，河北秦皇岛066004)摘要：生物机器人是人类通过控制技术施加干预信号调控生物行为，从而实现人类可操控的生物，是融合多学科和多专业理论与技术的产物。由于水生动物具有运动灵活、活动隐蔽、适应环境、自主供能等突出的优势特性，而成为水生动物机器人的研发对象，更具科学研究意义与实际应用价值。根据神经科学理论和国际常用的生物控制方法，介绍刺激感受器、刺激神经中枢和刺激效应器等3种类型的水生动物机器人，综述其控制方法及机制，阐述其中的控脑技术，并就发展趋势进行展望。关键词：水生动物机器人；感受器；神经中枢；效应器；生物控制中图分类号：R318文献标志码：A文章编号：0 2 58-8 0 2 1（2 0 2 3）0 5-0 6 10-0 7Research Status and Progress of Aquatic Animal RobotsPeng Yong1.2.3#*Zhang HuilZhao YangZhao ZhengWenYudongHan Lingjun(College of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,Hebei,China)(Key Laboratory of National Defense of Mechanical Structure and Materials Science under Extreme Conditions,Yanshan University.Qinhuangdao 066004,Hebei,China)(Institute of Marine Science and Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,Hebei,China)Abstract:Biological robot is the organism that is used by human to apply intervention signals to regulate thebiological behaviors,which achieve the manipulation by human control technology.Biological robot integratesmulti-disciplinary theories and technologies.Due to the unique advantages and outstanding features of aquaticanimals,such as mobility,concealment of activities,environmental adaptability,and independent energysupply,aquatic animal robot is of scientific research significance and important practical application value.According to neuroscience theory and internationally commonly used biological control methods,this paperreviewed the control methods and mechanisms of aquatic animal robots from three aspects including stimulusreceptors,nerve centers and effectors,and elaborated and analyzed the control methods of these three types ofaquatic animal robots.Among them,brain control technology is the most effective and essential control method.In this paper,perspectives of the brain control technology and mechanism of aquatic robot were discussed aswell.Key words:aquatic animal robot;receptor;nerve center;effector;biological control引言生物机器人是人类通过控制技术施加干预信号调控生物行为，从而实现人类可操控的生物生物机器人融合了神经科学、控制工程、通讯工程、机械工程、生物医学、计算机、电子、机器人和人工J.1SSn.029o-0022022.05.011收稿日期：2 0 2 1-0 6-0 1，录用日期：2 0 2 2-10-0 8基金项目：国家自然科学基金（6 157 330 5）：河北省自然科学基金（F2022203038，F2 0 19 2 0 3511）；国家高技术研究发展计划（8 6 3计划）项目(2014AA*)#中国生物医学工程学会会员（Member，Ch i n e s e So c i e t y o f Bi o me d i c a l En g i n e e r i n g）*通信作者（Correspondingauthor），E-m a il：PY8 1 s in a.c o m611勇，等：水生动物机器人的研究现状与进展彭5期智能等多学科专业的相关理论和技术，在生态研究、环境监测、抢险救灾、反恐侦查以及国防军事等方面发挥了许多重要作用。生物机器人种类很多，但由于水生动物所具有的运动灵活、活动隐蔽、适应环境、自主供能等突出且独特的优势特性，而更具科学研究意义和实际应用价值，备受青。自2 0 世纪以来，国际上积极开展对生物机器人的研究，尤其在水生动物机器人领域进展迅速，如Nobutaka等 2 和Vinepinsky等3 研制了金鱼机器人;Lee等 4 和Kim等 5 研制了海龟机器人;Brown等 6 和苏晨旭等 7 研制了鲨鱼机器人;Peng等 8 研制了鲤鱼机器人。2 0 0 5年，俄罗斯将海龟机器人用来秘密执行危险任务 9 。2 0 0 6 年，在美国国防部高级计划局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，D A R PA)的资助下，研究人员遥控鲨鱼机器人执行军事任务 6 。水生动物机器人在民用、警用、军用和情报等方面都具有特殊的重要应用价值。生物机器人可按用途分型，如：侦察型搭载侦查器材；攻击型搭载武器装备；救援型搭载救援器材；科研型搭载科研仪器。生物机器人的调控是以神经科学理论为基础的，即：动物大多数运动行为的诱导方式和控制机制均利用了反射弧理论，其为神经反射的结构基础。反射弧包括感受器、传入神经、神经中枢、传出神经和效应器等5个部分（见图1）。电生理技术是应用电信号刺激生物体并检测及分析生物体生物电的技术，被广泛应用于生物机器人。目前常用的生物机器人控制模式包括：一类是通过电生理技术对生物体反射弧中的感受器施加直接刺激，感受器将刺激信号转化为神经信号，由传人神经传至神经中枢，经神经中枢对传入信号整合后，由传出神经诱发效应器，触发相应运动，这类生物机器人经长期训练，可建立起操作性条件反射活动，达到运动行为可控的目标；另一类是直接刺激神经中枢与动物运动行为相关的脑神经核团，经实验确定实现控制运动行为神经核团的坐标点，将模拟电生理信号传入神经刺激感受器神经中枢反应效应器传出神经图1反射弧Fig.1Reflexarc施加于相关神经核团所在的坐标位点，使动物做出相应的运动行为。这是目前对生物机器人研究工作的基本模式 10 。刺激效应器是生物机器人的目标环节，通过研究发现引发相关运动动作的肌肉，确定肌肉的收缩机制，利用模拟电生理信号刺激这些肌肉，使其产生相应动作。根据神经科学理论和国际常用的生物控制方法，文中将从感受器、神经中枢、效应器等3个方面对水生动物机器人运动的控制方法及机制进行论述。1刺激感受器控制生物机器人的运动1.1鲨鱼机器人通过振动方式刺激鲨鱼的侧线管和通过电刺激方式刺激鲨鱼的罗伦式壶腹器，实现对鲨鱼机器人运动行为的控制 刀。鲨鱼的侧线器官包括具有能够感受机械刺激的侧线管和能够感受电刺激的罗伦式壶腹器 。研究发现，头部的壶腹器较体侧线管更易感受到电刺激，两背鳍之间的侧线管更容易受到振动刺激的影响。根据鲨鱼侧线系统的功能特点，将机械刺激信号源和电刺激信号源固定在鲨鱼身体上，可分别采用机械振动刺激侧线管和电刺激罗伦式壶腹器对鲨鱼进行运动行为的控制 7 该研究表明，基于动物自身的生理特点，通过刺激动物特有的感受器可实现水生动物运动行为的控制，为水生动物机器人的控制提供了一种新的思路1.2海龟机器人通过给海龟施加特定的视觉刺激可诱发其产生特定的行为 4.12 1。研究发现，海龟具有良好的空间认知能力，可以辩别一定波长的可见光，海龟认为当障碍物发白色光时是开放的空间，无论情况如何，它们都会冲向光源；研究还发现，无论海龟如何规划自已的路径，与障碍物的距离都不会小于15cm，海龟的视线被障碍物挡住的越多，它就越快地躲开障碍物。Lee等 4 利用海龟能够辨别一定波长的可见光以及本能的避障行为，设计了一种光刺激装置成功控制其行走路径。Kim等 13 在原有技术基础上设计出新的控制系统，即利用人类脑-机接口（brain-computer interface，BCI）技术控制动物运动行为，该系统由人类大脑信号控制原有的光刺激设备，再由刺激设备引导海龟的移动路径。系统中采用集成的头戴式BCI和显示器（head-mounteddisplay，H M D)作为人机交互界面。实验过程中，实验人员佩戴集成的BCI-HMD设备，海龟龟壳上安装612中42卷生程医国报学学物刺激、无线通讯、成像设备。首先从海龟的成像设备中获得图像，基于图像，BCI系统可以识别人类思维指令，然后通过无线网络将指令传输到海龟的刺激装置上，刺激装置激发海龟本能的避障行为，从而引导海龟移动，随后通过海龟壳上成像设备的图像更新，反馈给人类海龟移动的结果，人类根据该结果发出新的控制指令，形成一个闭环的控制系统，经室内外的多次测试，验证了该系统的有效性和可靠性。这项研究实现了通过人类BCI控制器远程引导动物运动路径的尝试。2017年，Kim等5 就海龟机器人研究提出了一种混合动物-机器人交互的概念，被称为寄生机器人。机器人可以在海龟（宿主）身上扮演寄生虫的角色，并通过操作性条件反射（operantconditioning）”诱导海龟行为（见图2）。机器人利用光刺激海龟视觉器官诱导海龟转向，若转向正确给予明胶食物作为奖励，强化海龟的行为。通过训练海龟执行有路标的导航任务实验，测试验证了该方法的有效性。该系统能够有效地进行水生动物运动行为的强化，从而有效地控制运动行为，为水生动物机器人的控制提出了一种新的方法。1.3鲤鱼机器人2018年，彭勇等14-15 为解决水生动物机器人因植人脑电极而产生的脑组织损伤、出血、感染和水肿等问题，提出了一种用于鲤鱼机器人的光刺激装置及光控实验方法，通过光刺激鲤鱼视觉器官实现对鲤鱼机器人的控制。该装置是根据鲤鱼颅骨形状用万能板切割而成“王”字型结构，可为光刺激源提供3组搭载桥平台，每组搭载桥两端各焊接一个跳线板，将发光二极管（LED）作为光刺激源插入跳线板中，将跳线板所有负极通过导线连接到控制RobotTurtleFeederHead-upLEDdisplay图2海龟机器人 5Fig.2Turtle robot(5台，LED灯根据波长需要可更换，还可选择多种组合光刺激方式。将该装置搭载于鱼头颅处，应用光控方法在暗光下控制鲤鱼机器人前进及转向等运动行为。研究表明，该装置利用鲤鱼负性趋光性原理，即鲤鱼背离光源的行为特征，采用光刺激方法来对其运动行为进行控制，可避免脑电极植人带来的脑损伤效应，为水生动物机器人的控制提供了一种新的手段。以上3种水生动物机器人的控制方法是一类具有代表性的生物控制策略，均是从动物的感受器出发，利用动物原有的生理特性或生存特点，通过外界的机械振动、电、光等物理刺激使动物感受到外界环境变化，实现对动物运动行为的控制（见图3）。这类控制方法的优势就是均可减少对动物的伤害，在轻微损伤或无损的情况下实现对动物运动行为的控制，但这类控制方法及机制仅适用于案例自身或同案例有类似生理特点的动物。2刺激神经中枢控制动物机器人运动2.1海龟机器人2005年，俄罗斯生物学家在海龟龟壳上安装数块电子芯片与海龟脑中植人的电极连接，电刺激信号通过无线遥控刺激装置产生，调节刺激频率，对海龟脑部相应神经核团进行电生理刺激，可以遥控海龟做出左转、右转、前进、止步等动作，使海龟能够爬到指定的目的地。将微型摄像机搭载在海龟身上，利用其来获取情报(9O2.2鲨鱼机器人2006年，Lehmkuhle等16 在鲨鱼脑内植人一枚微型芯片，利用鲨鱼嗅觉非常敏锐的特点，将鲨鱼通过振动、光、电等改变外界环境多次训练，强化行为控制器刺激运动奖励受控动物(能量）感受器通过刺激感受器控制动物机器人的运动行为图3刺激感受器控制动物机器人运动行为示意Fig.3 Schematic diagram of stimulus receptors controllingthe motion behavior of animal robot613彭5期勇，等：水生动物机器人的研究现状与进展的嗅觉神经核团选作刺激位点，将芯片植人到鲨鱼脑部，使其左右半球的嗅觉敏感区域通过植人的芯片接收控制指令，从而产生虚拟的气味刺激，使鲨鱼向刺激一侧游动，实现对鲨鱼游动远程控制。Brown等 6 利用鲨鱼异常灵敏的嗅觉以及会主动追踪猎物气味巡游捕食的特点，成功在实验室内实现了对白斑角鲨游动的遥控控制。在白斑角鲨大脑嗅觉中枢植人微电极，通过电刺激嗅觉中枢产生虚拟气味刺激，诱发鲨鱼进行气味跟踪的游动。实验发现，对鲨鱼大脑某一侧嗅觉中枢的电刺激可以引发转向同侧的巡游运动，电刺激信号越强，鲨鱼转弯就越急 17.1O2.3金鱼机器人2009年，Nobutaka等 2 通过在金鱼中脑运动区的内侧纵束核（nucleus of the medial longitudinalfasciculus，Nf l m）附近植人微电极，并开发无线控制系统实现了金鱼机器人的转向与前进运动的人为控制。将刺激电极固定在头上，通过安装在金鱼背上的无线控制装置连接，将该装置放置在鞍座上，驱动电源装在鱼的腹部。刺激Nflm中线附近的部位引起向刺激侧同侧的转向运动，而刺激Nflm的中线引发前进运动，使用安装在金鱼身上的刺激装置进行电刺激可以成功诱导其完成前进和转向运动。2017年，Vinepinsky等 3 开发了一种无线信号采集系统来记录自由活动的鱼脑神经元电信号活动。该系统是一个安装在鱼头骨上的防水数据记录器，记录器连接到植人金鱼大脑的电极上，可在水下进行信号收发和无线控制（见图4）。通过光刺激视觉器官并记录金鱼视觉神经视顶盖的信号，根据对脑电信号的解码，发现视神经皮层的神经元活动与光照强度之间的相关性。该系统在研究金鱼机器人控制机制方面具有巨大潜力，并可揭示大脑图4安安装无线采集系统后金鱼自由游动3Fig.4Goldfish swim freely after installing wirelessacquisition systema结构内不同区域在信息处理中的作用2019年，Cohen等 19 在现有无线采集系统上加以改进，增加微型驱动器，可实现远程改变电极植人位置，并实现在一条鱼上通过单次植人电极便可采集多个神经元信号。2 0 2 0 年，Vinepinsky等2 0 利用该无线记录系统，探究金鱼大脑内部有关导航和定位的神经元工作机制，发现了在大脑中与空间方位认知功能相关的边界编码细胞（edge encodingcells）、头朝向编码细胞（headdirection encodingcells）、速度相关细胞（speedcorrelated cells）、速度-矢量相关细胞（velocity-vectorencodingcells），并将采集得到的相关电生理信号进行了解码研究。这些细胞在金鱼大脑中不同位置，且与运动导航相关。这些区域包含多种神经元，它们代表空间、方向和速度的特征，用采集到的相关信号建立了金鱼大脑皮层中神经元的信息编码特性。这项研究揭示了与导航相关的信息在鱼的大脑中是如何表达的，并解决了鱼类脊椎动物有关导航的神经是如何处理神经信息这一基本问题的，为更好的理解非哺乳脊椎动物的神经导航系统做出了贡献。该研究建立了金鱼外侧大脑皮层空间细胞和运动细胞的基本目录，为在一个完整的三维环境内开发空间和运动学编码研究奠定了基础。2.4鲤鱼机器人对鲤鱼机器人的控制方法主要是应用控脑技术，通过植人在脑运动区的电极施加模拟电信号，成功诱导了转向、前进和后退等运动行为18 2 1Peng等 2 2 运用解剖学和计算机断层扫描方法观察鲤鱼的颅骨结构，通过建立了鲤鱼脑三维坐标系，确定了脑立体定位方法；根据脑立体定位坐标原理、骨性标志和颅骨特点，建立了鲤鱼脑三维坐标系；设计了一种面向鱼类控脑技术应用的固定装置及其方法 2 3；应用脑立体定位方法将电极植入鲤鱼脑运动区；为解决脑组织坐标定位问题，提出了一种将鲤鱼脑组织磁共振成像坐标转换为应用脑立体定位仪进行电极植入坐标的方法；应用磁共振成像仪对颅脑成像，自主建立颅脑三维立体定位坐标系、颅骨表面辅助三维坐标系和脑组织内部辅助三维坐标系，经两次坐标转换，将脑电极植人位点磁共振图像坐标转换到三维立体定位坐标系中以引导电极植人【2 4；为脑电极准确植人进行定位导航，建立了脑结构及脑电极三维立体模型；通过离水电刺激实验和水下控制实验发现了鲤鱼脑运动区，应用磁共振成像仪对颅脑及电极成像，自主设61442卷中报生学程医国学物计研发了适用于水生动物机器人运动观察与测试的水迷宫 2 5】和无线遥控系统【2 6 ；应用3D-DOCTOR和Mimics软件进行三维重建。研究表明，发现的脑运动区及坐标值是准确的，构建的脑组织及脑电极三维重建图再现了脑立体结构，可观察到脑电极与脑组织、脑组织与颅骨表面的相对空间位置关系；通过构建的脑组织三维重建综合显示图，可观察到三维重建的脑组织在磁共振图像中的扫描位置以及脑组织与颅骨表面的相对空间位置关系，可为脑电极的植人提供定位导航的工具。以上研究是一类应用控脑技术的生物控制策略，均是从动物的神经中枢出发。动物运动行为的发生，起因于外界刺激或自身主观的运动意愿；且不论外界刺激还是自身主观意愿（例如动机与情绪），都是以神经电信号（或称神经信息）的方式在神经系统中表达、传递和处理的；当这些信息到达中枢运动控制神经系统的最高等级，并对这些信息处理后，便形成了相应的“运动战略”10 。所以从神经中枢出发的控脑技术是对生物机器人运动行为控制最有效和最本质的控制方法，普遍适用于各种生物机器人的控制。对于美国鲨鱼机器人而言，是根据鲨鱼有敏感的嗅觉这一生理特点，通过电刺激鲨鱼嗅觉在脑内的代表区来诱导鲨鱼的运动行为，从而实现控制动物运动。对于日本金鱼机器人和中国鲤鱼机器人，其控制方法都是通过直接电刺激脑运动区来实现运动控制。对于金鱼脑电信号的采集与解码，揭示了金鱼运动脑内信息处理机制，为电刺激信号的选取提供了参考。控脑技术较刺激感受器可以更加精确的控制动物运动行为，但会不可避免的对动物产生脑损伤。刺激神经中枢控制动物机器人运动行为的流程如图5所示，图中各个模块在发展时间轴上的位置显示各部分内容在动物机器人研究流程中的先后顺序3刺激效应器控制动物机器人的运动2012年开始进行关于通过刺激效应器来控制鲤鱼机器人的研究。利用神经电生理技术确定鲤采集脑运动神经核团模拟脑运动神经核团产生相应的运动行为脑电信号脑电信号对脑电信号进行信息电刺激脑运动神经时间轴确定脑运动神经核团解码核团图5刺激神经中枢控制动物机器人运动行为流程Fig.5Flow chart of stimulating the nerve center tocontrol the motion behavior of animal robot图6鲤鱼机器人 2 7 Fig.6Carp robot 27鱼肌肉控制位点，向肌肉组织植入电极，通过向电极发出电刺激信号，初步实现了通过刺激效应器方法控制鲤鱼机器人的运动行为试验（见图6)2 7 。为研究鱼运动器官鱼鳍中的骨骼肌与鲤鱼运动的关联性，在确定骨骼肌的解剖位置与形状后，在浅麻醉状态下展开了鲤鱼大侧肌、尾鳍骨骼肌和肩鳍骨骼肌的电刺激实验 2 8 刺激感受器与刺激中枢神经系统诱导运动，最终的实现形式都是效应器（即骨骼肌）的收缩，具体的运动形式是由若干肌肉或肌肉群配合实现的，所以效应器的刺激运动相响应，可用于研究动物控制运动的神经系统工作机制，即控制运动的神经系统是如何调控各个骨骼肌完成运动动作的、如何由众多骨骼肌收缩并配合来形成运动行为以及如何实现最终的运动控制，即直接从产生相关动作的骨骼肌出发，通过控制具体的动作单元，实现对最终运动行为的控制。然而，这种直接对产生动作的效应器（骨骼肌）进行电信号刺激，实现控制鲤鱼运动行为，就目前的技术条件刚刚起步，因为即使是简单的鲤鱼摆尾也需要许多肌肉的协调活动。虽然这类研究尚处于探索性的试验阶段，但其研究思路却是实现生物控制的必然路径刺激感受器、神经中枢、效应器是近些年国际常用的控制方式，3种不同的控制方式各有其优缺点（见表1），可以根据研究对象、研究目的、技术手段和不同控制方式的优缺点选择适宜的控制方式。虽然水生动物机器人有3种控制方式，但其技术特点各异,研究和应用进展各异。刺激感受器虽然直接刺激感觉器官，但需研究控制对象的感受器结构、功能以及生存环境，探寻适宜的刺激手段（如声、光、电、磁和机械等），研制适合控制对象的控制系统搭载装置，设置相应的控制信号序列。然而，因刺激手段不兼容，且在信号传输、刺激信号解码与重建、控制系统等方面受技术条件的限制，该方615勇，等：水生动物机器人的研究现状与进展彭5期表1各种控制方式的比较Tab.1Comparison of various control methods控制方式优点缺点刺激感受器对受控动物损伤小控制精度不够高4-5,7,11-15侵人式的控制方普遍适用于各种动物机式，会造成动物脑刺激神经中枢器人；较刺激感受器可损伤；损伤后的炎1-3,6,8-10,16-22,24-26以更加精确地控制动物症反应可导致植运动行为人电极性能下降刺激效应器 2 7-2 8 控制更直接操作难度高表2不同控制方式的研究进展和控制水平Tab.2The research progress and control level of differentcontrol methods进展情况控制水平多数处于实验室研究阶刺激感受器段，海龟（韩国）可以室外可有效控制4-5.7,9,11-15控制多数处于实验室研究阶刺激神经中枢段，海龟（俄罗斯）、鲨鱼可有效控制1-3,6,8-10,16-22,24-26（美国）可以室外控制刺激效应器鲤鱼（中国）处于实验室可有效控制，但27-28研究阶段操作难度大式尚处于实验室研究阶段。这种控制方式在其他非水生动物机器人也有应用，如昆虫机器人 2 9 。刺激神经中枢的关键是需要定位控制不同运动（如前进、后退、左转、右转等)的脑运动神经核团，目前主要研究模式是通过电刺激相关核团，采集不同运动形式的脑电信号，并对其进行解码，再根据解码信息模拟脑电信号对动物脑运动神经核团进行刺激，实现相应的运动控制，这种控制方式可适用于多种动物机器人，例如大鼠机器人【30 和鸽子机器人 9 等。刺激效应器的方式是直接刺激支配运动的骨骼肌，从前期的试验发现这样的控制方式可以对动物机器人进行有效控制，但难度很大。这样的控制方式在甲虫机器人领域有所应用，并成功控制飞蛾煸动翅膀及飞行方向 31。以上3种控制方式的研究文献数量、进展情况及控制水平见表2。4展望4.1函待新的控脑机制或调控机理对于水生动物机器人的远程控制研究还处于起始阶段，已有的控制思路和模型还有待完善。目前的思路主要根据动物运动行为的神经生物学原理，选取活体动物能够导致发生人们预期运动行为的相关脑区（brainregion）或神经，利用适宜的人工电信号和适宜的方式，微刺激所选脑区或神经的适宜神经位点，导致动物发生相应的运动行为，从而控制和引导动物沿预期的路径（轨迹）运动，即通过电信号支配活体动物的神经活动，将其变成运动行为受人操纵的动物 8 。控制的可靠性、精细度、准确度都有待提高，还需要进一步探索动物运动系统的神经控制网络，深人研究动物运动的调控机理。从动物反射弧的基本结构出发，科学家对于传出神经与传人神经而言，很难定位其位置，且它们之间的信息传输机制尚未明确。随着对水生生物脑图谱不断完善，以及生物学、神经学、传感技术和控制技术等多学科的不断发展与融合，有望找到更有效的控制策略，实现水生生物运动行为的可靠控制4.2函待精确的脑电信号解码技术与神经模型深人研究脑电信号与外部动作之间的关系，从收集到的脑电信号中鉴定出驱动外部特定动作所必需的脑电信号，再通过脑-机接口技术，利用计算机中的神经模型模拟出特定脑电信号对动物相应脑区进行刺激，可实现对动物的精确控制。目前，由于对脑电信号的信息解码技术还不够成熟，现有神经模型结构较为复杂，只能完成单神经细胞模拟，使用这一方法进行控制，在控制的连续性和精确性都存在较大误差【18 。对脑电信号的精确解码，可排除允余信号的输出，精确输出可用信号，输出的信号总量也会大幅度降低，使得远程无线精确控制成为可能。在神经模型结构方面，对于多神经细胞模拟,特别是形成神经网络后，其求解速度将明显下降。因此在保证输出信号与生物信号相似性的前提下,应构建更为工程化的神经模型，以提高信息处理能力4.3函待高度集成且微型的控制系统动物机器人研究是一个高度跨学科的交叉领域。对动物运动进行精确诱导，离不开高效可靠的遥控导航系统 18 。受生物体态和生物负重能力的限制控制生物运动行为的微控制器有严格的尺寸和重量要求 32 。受水下环境的影响以及动物自身能力和体态的限制，遥控导航系统的尺寸和质量不易过大，尺寸过大阻力增大，影响鱼的游泳姿态。因此，呕待将遥控导航系统硬件高度集成且微型化于芯片上并可埋于皮下。芯片和集成电路技术的不断进步有助于推动水生动物机器人的发展。综上，迄今水生动物机器人的控制方法及机制有3种类型，即分别通过刺激感受器、神经中枢、效应器实现对水生动物机器人运动行为的控制。这3616中42.卷国医报学程学物种控制方法及机制是当今生物控制领域的3个基本策略，其中应用控脑技术刺激神经中枢是最普遍、最有效和最本质的控制方法。3种控制方式各有所长各有不足，至于选择哪种方式，则需根据对象、目的、手段以及不同方式优缺点，选择适宜的一种控制方式，也可根据实际情况和应用目的，采取两种以上的混合控制方式。由于生物机器人是多学科理论和技术交叉融合的产物，目前其控制领域面临的科学和技术问题比较多且复杂，还有待于进行深人的系统研究。相信随着人类对生物尤其脑科学认识的不断加深以及高度集成且微型控制系统核心技术的发展，生物机器人的控制将会更加精准和有效，有望真正实现人类控制生物机器人替代人类执行危险或人类难以从事的任务。参考文献1彭勇，王爱迪，王婷婷，等.面向生物控制的鲤鱼脑组织及脑电极三维重建 J.生物医学工程杂志，2 0 2 0，37：8 8 5-8 9 1.2Nobutaka K,Masayuki Y,Noritaka M,et al.Artificial control ofswimming in goldfish by brain stimulation:confirmation of themidbrain nuclei as:the swimming center J.NeuroscienceLetters,2009,452:42-46.3Vinepinsky E,Donchin O,Segev R.Wireless electrophysiologyof the brain of freely swimming goldfish JJ.Journal ofNeuroscience Methods,2017,278:76-86.4Lee S,Kim CH,Kim DG,et al.Remote guidance of untrainedturtles by controlling 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