生物機器人綜述

1、科技寫作 學院（系）： 醫(yī)療器械與食品學院 年級專業(yè)： 生物醫(yī)學工程 學生姓名： 朱安陽 學 號： 152631974 指導教師： 袁敏 摘要20世紀60年代以來，隨著仿生技術、控制技術和制造技術進一步發(fā)展，現(xiàn)代仿生學和機器人科學相結合，在機器人的結構仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生以及群體仿生等多個方面取得了大量可喜成果和積極進展。然而，伴隨著人類醫(yī)療診斷、探索太空、建設航天站、開發(fā)海洋、軍事作戰(zhàn)與反恐偵察等任務和需求的增加，人們對機器人的性能也提出了更高的要求，于是生物機器人應運而生。生物機器人就是完完全全和我們?nèi)祟愐粯?，用有生命的材料構成的而不是用金屬材料構成的機器人。它們是利用自然界

2、中的動物作為運動本體的機器人，通過把微電極植入與動物運動相關的腦核團或者方向感受區(qū)，并施加人工模擬的神經(jīng)電信號，從而達到控制動物運動，利用動物特長代替人類完成人所不能和人所不敢的特殊任務。 與傳統(tǒng)的仿生機器人相比，生物機器人在能源供給、運動靈活性、隱蔽性、機動性和適應性方面具有更明顯的優(yōu)勢，可以廣泛應用在海洋開發(fā)、探索太空、反恐偵查、危險環(huán)境搜救以及狹小空間檢測等各方面。近年來對生物運動規(guī)律和動物機器人的研究受到更多的重視。本文主要對對國內(nèi)外生物機器人的研制工作做了綜述，并介紹其應用前景及對其未來發(fā)展進行了展望。關鍵詞：生物機器人；運動誘導；神經(jīng)控制；研究現(xiàn)狀；發(fā)展方向1.課題的研究現(xiàn)狀自20

3、世紀90年代開始，生物機器人的研究歷史僅有短短的10年，然而這短短十年又是生物機器人研究成果豐碩的十年，各國科研人員都相繼開展了動物機器人的研究工作，尤其是美國，日本等科技發(fā)達國家，它們的研究成果代表著這一領域的最高水平，國在這一領域的研究尚在起步階段，但也已有了不俗的進展。1.1 國外的研究現(xiàn)狀在國外，美國、日本以及歐盟較早地開始了納米生物機器人的研究。納米生物機器人的組件可以是單個的原子或分子，但利用自然界存在的、具有一定結構和功能的原子團或分子的集合分子功能器件組裝納米機器人，更加高效和現(xiàn)實可行，即按照分子仿生學原理，利用大量存在的天然分子功能器件設計、組裝納米生物機器人。美國 2000

4、年開始了國家納米技術計劃，國家衛(wèi)生研究院(NIH)和國家癌癥研究所(NIC)于2002年開展了DNA分子馬達的研究。NASA高級概念研究院(NIAC)和Rutgers大學在2002年提出了納米生物機器人研究50年發(fā)展規(guī)劃；2002年日本Osaka大學啟動了生命科學前沿研究計劃，其中包括 ATP馬達的研究；歐盟2002年正式推出了研究納米技術的第6框架計劃，其中納米生物技術的研究重點為生物分子或復合物的處理、操縱和探測。圖 11 昆蟲機器人2007年，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)啟動了昆蟲微機電系統(tǒng)整合計劃，旨在將微機電系統(tǒng)植入處于變態(tài)發(fā)育階段的昆蟲體內(nèi),從而將昆蟲改造成為可以遠程控制

5、的“昆蟲偵察兵”(圖1-1)。其目標是造出至少能飛離控制器100m，在追蹤目標5m范圍內(nèi)停留的半機器昆蟲。2008年，康奈爾大學和的研究人員運用昆蟲變態(tài)發(fā)育早期植入技術，首次將MEMS件植入煙草天蛾的蛹體內(nèi)破繭7天前，待其發(fā)育成健康的成體飛蛾后，研究人員通過植入飛蛾體內(nèi)的MEMS芯片6對控制飛行的肌肉發(fā)放刺激信號，成功實現(xiàn)了飛蛾翅膀扇動及飛行方向的控制。另外由加利福尼亞大學科學家主持的科研小組已成功把電極分別植入六月鰓角綠金龜控制飛行的神經(jīng)中樞和肌肉內(nèi)對神經(jīng)進行刺激，負脈沖使它不斷拍動翅膀飛離原地；而正刺激脈沖則使它短時間內(nèi)停止飛行，通過迅速變換信號控制昆蟲起落。09年初美國加州大學伯克利分校

6、的研究人員成功進行了對犀牛甲蟲的遙控實驗，并在意大利索倫托舉行的“MEMS2009”學會上公開了犀牛甲蟲的遙控視頻。研究人員將微型神經(jīng)和肌肉刺激系統(tǒng)植入犀牛甲蟲,在遙控狀態(tài)下成功的控制了甲蟲起飛、飛翔、轉向和降落。圖 12 鯊魚機器人美國國防部高級研究計劃局 (DARPA)正在進行將各種動物變成遙控間諜的“機器生命計劃 ”。2006年，中國國防報報道，美國羅得島州紐波特市美國海軍海戰(zhàn)中心(Naval Undersea Warfare Center，NUWC)在DARPA的資助下，正進行“鯊魚特工 ”(圖1-2)的研究計劃：通過植入鯊魚大腦的微電極對鯊魚中樞神經(jīng)系統(tǒng)的某些特定部位進行刺激來遙控鯊

7、魚的行為，將鯊魚變成動物機器人，以遠距離指揮鯊魚秘密跟蹤刺探敵方船只的運動，完成各種危險的間諜任務。目前，美國海軍水下作戰(zhàn)中心已開發(fā)出一種目的在于通過神經(jīng)植入進行動物行為控制的電子標簽。這種電子標簽包含一個多通道神經(jīng)記錄和刺激裝置，可用于遙控鯊魚的研究，由于無線電信號不能在水下傳播，科研人員計劃采用聲吶進行控制?？刂普邚暮＼娐暡ㄐ盘査l(fā)射出定向聲吶，對鯊魚行動進行控制。動物運動過程中除接受肌梭、腱器官等運動覺傳入進行反饋性調(diào)節(jié)，還需要綜合其它包括視覺、聽覺和觸覺等感受器的傳入信息來進行調(diào)控。常見的蟑螂和蒼蠅頭部的觸須、老鼠和貓嘴角兩側的胡須都是它們重要的觸覺感受器，決定著這些動物的運動方向。日

8、本東京大學Isao Shimoyama教授領導的研究團隊在 1997年研制出蟑螂機器人，實現(xiàn)了蟑螂直線前進的人工控制(圖1-3)。首先利用軌跡球計算機裝置(圖1-4)，獲得了電刺激蟑螂觸角傳入神經(jīng)進行運動誘導的合適刺激參數(shù)；然后，實驗人員去除蟑螂翅膀和頭上的觸須，在觸角(觸覺感受器)處植入金屬微電極，通過遙控刺激器并結合光學傳感器的反饋，進行運動誘導，初步實現(xiàn)了控制蟑螂沿直線前進。此后，研究人員又進一步減輕遙控刺激器的重量，基本可以實現(xiàn)蟑螂的左右轉，前移或者后退等運動的人工控制。圖1-3 蟑螂機器人 圖1-4 軌跡球裝置 1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)，上海交通大學 DNA 計算機交叉團隊是目前國

9、內(nèi)唯一從事納米生物機器人研究的交叉科研團體，并提出了基于病毒的納米生物機。上海交通大學DNA計算機交叉團隊(BDCC)納米生物機器人小組，利用自然界廣泛存在的生物分子部件及其特性，結合機器人概念和特點，首次提出了通過直接改造病毒來構造納米生物機器人的設想，從而開展以下方面的研究：通過改造病毒基因組及對病毒表面糖蛋白進行修飾，使基于病毒的納米生物機器人可以對病變細胞進行識別和治療，并通過內(nèi)部修飾使基于病毒的機器人有條件地進行復制繁殖；通過控制病毒周圍生理環(huán)境，如PH值、溫度、離子濃度等，利用病毒的門控呼吸模型機制將病毒改造為定點給藥機器人系統(tǒng)(DDS)，殺死病變細胞；通過對病毒復制過程進行研究和

10、描述，綜合相關環(huán)境變量、條件變量和狀態(tài)變量，建立納米生物機器人的自復制模型；對病毒結構和機械特性進行分析，對基于病毒的納米生物機器人在微流體環(huán)境下的動力學和運動學進行研究，同時進行病毒侵染宿主細胞時蛋白質(zhì)構象變化的動力學研究；另外，利用生物分子部件的生物兼容性及DNA的互補裝配特性，開展DNA計算機與納米生物機器人接口的研究，目標是將BDCC研制的DNA計算機移植到基于病毒的納米生物機器人中，對人體細胞內(nèi)生理信號進行監(jiān)測，實現(xiàn)真正具有控制芯片的納米生物機器人系統(tǒng)?；咨窠?jīng)節(jié)是大腦皮層下一些神經(jīng)核團的總稱，是大腦皮層下的一個運動調(diào)節(jié)中樞，其主要結構是紋狀體。鳥類的紋狀體高度發(fā)達，是其最高級的運動

11、中樞。2007年，山東科技大學完成了鴿子機器人(圖1-5)的研制。他們用計算機產(chǎn)生具有一定規(guī)律的電信號編碼，通過植入家鴿丘腦的腹后外側核和古紋狀體內(nèi)的數(shù)根微電極，施加人工干預控制指令，使家鴿在人工誘導下實現(xiàn)了起飛、盤旋、左轉、右轉、前進等特定動作。 圖1-5 鴿子機器人腦干的許多核團和腦區(qū)具有重要的運動調(diào)控功能。電刺激腦干不同區(qū)域可以誘發(fā)動物的攻擊，防衛(wèi)，轉圈和逃跑等運動行為。南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所作為國內(nèi)較早開展動物機器人研究的單位之一。研究人員以大壁虎為研究對象，利用自制大壁虎的腦立體定位儀系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)電刺激中腦可以誘導大壁虎的轉向運動 (圖1-6)，進一步的實驗表明,通過

12、刺激中腦內(nèi)相關的核團可以實現(xiàn)對大壁虎轉向運動的誘導。以此為基礎，近期研究人員還在通道中成功實現(xiàn)了大壁虎八字形運動誘導。圖 1-6 植入電極的大壁 2.生物機器人的前景21世紀將是一個生物機器人迅猛發(fā)展的世紀。生物機器人不但可以提高工人的生產(chǎn)效率，還可以代替人類從事乏味、勞累和危險的工作，甚至完成人類所不能勝任的工作，因而日益受到人們的重視。隨著人類探索太空、建設航天站、開發(fā)海洋、軍事作戰(zhàn)與反恐偵察等任務和需求的增加，人們對機器人的性能提出了更高的要求。 安全保衛(wèi)方面的需求。目前針對非常重要人員的安全保衛(wèi)，需要對其活動的場所及其周邊的各種可能通道做出檢查。其中狹小空間的檢測多數(shù)選用身材瘦小的偵察

13、員來完成。這種方法對人員素質(zhì)要求高、而且工作環(huán)境惡劣、效率低。而生物器人體形小，速度快，可以方便地代替人類完成狹小空間（如大樓管道系統(tǒng)、中央空調(diào)的管道系統(tǒng)等）偵查任務。傳統(tǒng)的運動功能障礙的康復手段，都需要病人有一定程度的自主運動控制能力，因此，對那些完全癱瘓的病人是不適用的。現(xiàn)在如果采用腦機接口技術，即利用人腦信號直接控制外部設備， 就可以幫助神經(jīng)肌肉系統(tǒng)癱瘓的病人實現(xiàn)與外界的交流（如環(huán)境控制、輪椅控制、操作計算機等）。這種技術還可以用于控制康復機器人，幫助運動障礙患者進行康復訓練。另外，對復雜危險環(huán)境（如倒塌建筑物內(nèi)）的搜救，目前廣泛使用搜救狗、機器蛇和光纖軟管。與之對比，生物機器人能夠在各

14、種幾何表面和更加狹小的空間實現(xiàn)無障礙運動，速度快，成效顯著。3.總結從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，動物機器人的研究對象正不斷增加：從無脊椎動物(各種昆蟲，如蟑螂) 到脊椎動物，從低等脊椎動物(如軟骨魚類：白斑，角鯊)到兩棲類(海龜)和爬行動物(大壁虎)，從鳥類(鴿子)到高等哺乳動物(小白鼠、大白鼠)，其研究對象幾乎遍布生物進化的各個不同階段。同時，控制生物的方法、手段也不盡相同，并伴隨不同學科、技術的融合而不斷發(fā)展?？刂茝挠芯€到無線，從單純的神經(jīng)肌肉刺激誘導，到利用獎賞機制結合腦內(nèi)電刺激進行的刺激誘導；以及利用黑箱原理，通過對動物在某一特定行為中相關控制中樞的神經(jīng)信號提取，經(jīng)分析、解碼，然后用計

15、算機模擬重構神經(jīng)電信號，再通過適當接口(腦機接口)引入動物的神經(jīng)系統(tǒng)進行的運動誘導。動物機器人正由起初的基本可控向著更可靠、更精細的方向不斷前進，并進一步深化人們對動物腦部運動等行為控制的認識，促進腦功能研究的發(fā)展。近年來，隨著神經(jīng)科學、分子生物學、計算機科學、微電子技術等的迅猛發(fā)展，這些看似毫不相關的學科，已經(jīng)并正在迅猛地發(fā)生著交叉融合，極大地推動了以自然為基礎的生物機器人的發(fā)展。但是這些仿生機器人跟真正的動物相比還有較大的差距，其在運動平穩(wěn)性、靈活性、健壯性、環(huán)境適應性及能源利用率等方面遠遠落后于動物，電源容量成為限制機器人工作時間的瓶頸，且難于在短時間內(nèi)獲得大幅度改善。生物機器人與一般的

16、工業(yè)機器人，生物機器人相比有許多突出的優(yōu)點和它們無法比擬的優(yōu)越性，但是由于受到生物學 ，神經(jīng)學 ，控制技術 ，通訊技術，傳感技術以及數(shù)學方法等相關學科發(fā)展的制約，至今基本上仍處于實驗室研制的階段。尤其是在克服生物疲勞性，適應性以及可靠實現(xiàn)預期運動行為等方面還不是十分理想，離實際應用還有相當長的一段距離。此外生物機器人也不應僅局限于控制生物的運動行為，還應該研究如何通過生物的視覺 ，觸覺和聽覺來為人類服務。4.參考文獻 1 Arabi K Sawan M ,. Implantable multiprogrammable microstimulator dedicated to bladder c

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