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机械创新设计课程考核论文班级 学号 姓名 序号 2014 年 11 月 20 日生物机器人的研究现状及其发展方向 摘要：随着机器人技术的发展，生物机器人的研究正受到学者们的普遍关注。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；发展方向前言 在35亿年的进化过程中，动物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式，这成为机器人发展取之不尽的知识源泉。自从仿生机器人诞生以来，对工业生产、民用事业和国防科技等各方面都产生了深远的影响。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。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。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较机器人(或仿生机器人)具有更明显的优势，可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。1生物机器人的基本概念 生物机器人是指利用动物体的运动机能、动力供应体制，从动物运动的感受传入或神经支配入手，实现对动物的运动和某些行为的人为控制，从而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。而仿生机器人只是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统，能从事生物特点工作的机器人。仿生机器人的主要特点：一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构复杂；二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人，通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。 利用生物控制技术研制生物机器人始于上世纪90年代，和工程控制系统相比，动物运动的神经调控系统要复杂得多。作为一个分层次的多级控制系统，其调控网络存在不同水平的控制中心。运动系统从低级到高级分别由脊髓、脑干的下行系统和大脑皮层的运动区这三个水平的神经结构组成。三个水平串行和平行并举,直接和间接共存，形成一个相互联结的复杂的功能性网络. 传入或神经支配入手，实现对动物的运动和某些行为的人为控制，从而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。而仿生机器人只是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统，能从事生物特点工作的机器人。仿生机器人的主要特点：一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构复杂；二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人，通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。2国内外生物机器人的研究概况 生物机器人的研制虽然只有10多年的历史，然而其研究工作进展迅速，特别是美国、日本等发达国家的研究工作走在世界前列。目前，国内外许多学者正从事该领域研究工作，生物机器人已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。 2.1刺激感受器诱导动物运动 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IsaoShimoyama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。首先利用轨迹球计算机装置，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。 2.2刺激基底神经节诱导动物运动 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（机器人鸟）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。 2.3刺激感觉皮层或边缘系统诱导动物运动 2002年，Nature杂志报道，美国纽约州立大学的Talwar博士领导的科研小组成功实现了人工诱导老鼠的各种运动行为。科研人员通过刺激感觉皮层和边缘系统的一个“奖赏中枢”制导老鼠运动，他们在大白鼠脑内植入了三对刺激微电极，其中两对电极植入接受左右胡须输入的体感运动皮层区（somatosensorycortex，SI），对其刺激用作左右胡须的虚拟的触觉信号，另一对电极植入内侧前脑束（medialforbrainbundle，MFB），用作老鼠服从命令的奖赏强化。三对电极连同大鼠背负的多通道遥控导航系统相连。他们的实验分成四个节段，第一阶段，先在8字形的迷宫对大鼠进行训练，先单独刺激MFB，作为前进运动的强化（即使老鼠将单独的MFB刺激解释为前进）；当所有实验大鼠学会在单独MFB刺激时持续前进时，就进入第二节段，即通过左右SI电极的刺激训练老鼠左右转弯，方向转对时就刺激MFB，以强化老鼠对虚拟胡须触觉的条件反射；最后，通过三、四阶段在实验室内将训练任务由平面线路过渡到三维复杂路线。最后经过训练的大鼠可以在实验室外执行具体任务：实验人员通过遥控导航系统的遥控，500m外可遥控大鼠完成转弯、前行、爬树以及跳跃等动作，甚至可以控制老鼠执行违背其自然习性的运动，比如在光线充足的广阔的室外场地执行任务。而且，大鼠可以平均0.3m/s的速度进行长达一小时的实验。这些大鼠能用于现代机器人无法胜任的各种搜救任务中。国内一些研究团队如山东科技大学苏学成教授、浙江大学郑筱祥教授领导的团队，以及中国科学院自动化研究所宋卫国和王永玲等也进行了类似的研究。3生物机器人的应用前景 3.1反恐安全方面的需求 “9.11事件”之后世界各国均面临反恐斗争的严峻挑战。随着我国在国际事务中地位的不断提升，未来我国反恐安全的需要更加迫切。因此，包括我国在内的世界各国在反恐装备研制方面均给予了高度重视。目前，从生物体系获得灵感，研制微小型生物机器人，解决反恐面临的问题已成为国内外的研究热点，利用这种生物机器人可以追踪、监视恐怖分子的活动和预警，必要时还可先发制人，遏制恐怖企图，解救人质。 3.2安全保卫方面的需求 目前针对VIP（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。4生物机器人的发展趋势 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。动物机器人与一般的工业机器人、仿生机器人相比，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、MEMS技术、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。为提高制导动物运动的精确性和稳定性，未来的生物机器人将在以下几方面进一步发展。5结束语 随着动物运动调控研究的深入和核心技术的发展，将进一步推动人们对动物运动相关脑区及其功能的认识，推动微电子技术和通信技术的进步，这些进步将有助于生物机器人的研究和发展，生物机器人是人类社会生活中不可缺少的好帮手，生物机器人的明天会更加灿烂辉煌。参考文献1王丽慧，周华.仿生机器人的研究现状及其发展方向.上海师范大学学报，2007,36(06).2王文波，戴振东.动