一種基于丘腦腹后中間核電刺激控制動(dòng)物機(jī)器人轉(zhuǎn)向的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及動(dòng)物機(jī)器人，具體涉及一種基于丘腦腹后中間核電刺激控制動(dòng)物機(jī)器人轉(zhuǎn)向的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]“動(dòng)物機(jī)器人”是指利用動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)能、動(dòng)力供應(yīng)體制，從動(dòng)物的感受轉(zhuǎn)入或神經(jīng)支配入手，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和某些行為的控制。近年來(lái)，隨著腦機(jī)接口(Brain-Computer-1nterface,BCI)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)外部刺激直接干預(yù)動(dòng)物的大腦。在動(dòng)物的大腦的特定區(qū)域植入微電極提供電刺激，使動(dòng)物產(chǎn)生虛擬的感覺(jué)，包括獎(jiǎng)賞、恐懼和觸覺(jué)等。因?yàn)檫@種電刺激是人可以控制的，所以人可以控制動(dòng)物產(chǎn)生這些虛擬的感覺(jué)，從而可以訓(xùn)練動(dòng)物完成特定的動(dòng)作，例如:壓桿和導(dǎo)航。
[0003]大鼠導(dǎo)航是一個(gè)以動(dòng)物機(jī)器人(大鼠)為基礎(chǔ)，利用外部電刺激控制運(yùn)動(dòng)路徑的任務(wù)。動(dòng)物機(jī)器人(大鼠)在能源供給、運(yùn)動(dòng)靈活性、隱蔽性、機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性方面比機(jī)器人以及仿生機(jī)器人具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。大鼠導(dǎo)航因此具有廣泛的應(yīng)用前景，例如在災(zāi)害救援中搜索幸存者、反恐、安保以及軍事中。
[0004]動(dòng)物機(jī)器人(大鼠)的左右轉(zhuǎn)向控制可通過(guò)電刺激大鼠左右側(cè)的胡須區(qū)(BarrelCortex, BF)結(jié)合獎(jiǎng)賞訓(xùn)練來(lái)實(shí)現(xiàn)。作為提示，當(dāng)大鼠接受到某一側(cè)的感覺(jué)皮層電刺激時(shí)，如果大鼠恰好向需要的一邊轉(zhuǎn)頭，則馬上使用電刺激獎(jiǎng)賞區(qū)或給予食物/水的獎(jiǎng)勵(lì)來(lái)訓(xùn)練強(qiáng)化這種提示刺激與轉(zhuǎn)頭的關(guān)系。通過(guò)一定的訓(xùn)練后，可以較為穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)大鼠的轉(zhuǎn)向控制。(參考文獻(xiàn):張韶岷，王鵬，江君等.大鼠遙控導(dǎo)航及其行為訓(xùn)練系統(tǒng)的研究[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2007，26(6):830-836.0258-8021.2007.06.006.)電刺激感覺(jué)皮層的大鼠轉(zhuǎn)向控制方法需要電刺激感覺(jué)皮層與獎(jiǎng)賞結(jié)合使用，通常需要較長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練才能穩(wěn)定，且在整個(gè)大鼠機(jī)器人的使用過(guò)程中仍需要定期的強(qiáng)化。由于大鼠的感覺(jué)皮層中，BF對(duì)應(yīng)的區(qū)域是相對(duì)較大，且感覺(jué)皮層中的神經(jīng)元密度相對(duì)比較稀疏，直接通過(guò)單點(diǎn)的電刺激很難大范圍激活BF區(qū)域的神經(jīng)元，因而單純的電刺激BF區(qū)域很難使大鼠產(chǎn)生明確的轉(zhuǎn)向行為變化。而通過(guò)提高電壓或電流的幅值來(lái)提高感覺(jué)皮層的激活范圍又存在較大的副作用，嚴(yán)重時(shí)可直接使大鼠出現(xiàn)全身或部分身體的抽搐，對(duì)大鼠的大腦造成終生電刺激損傷。因此電刺激感覺(jué)皮層控制大鼠轉(zhuǎn)向的方法仍然存在一定的不足之處。
[0005]在未來(lái)大鼠導(dǎo)航的實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)航這個(gè)任務(wù)只是一個(gè)平臺(tái)，大鼠一定會(huì)需要根據(jù)不同的應(yīng)用學(xué)習(xí)一些新的技能，這些技能很可能需要通過(guò)訓(xùn)練的方式實(shí)現(xiàn)。如果導(dǎo)航任務(wù)就占用了大量的訓(xùn)練時(shí)間，必然縮小了動(dòng)物機(jī)器人(大鼠)的應(yīng)用范圍。另一方面，大鼠的學(xué)習(xí)能力是有限的，如果讓大鼠學(xué)習(xí)過(guò)多的東西，必然加大了動(dòng)物機(jī)器人(大鼠)的實(shí)現(xiàn)難度。所以，開(kāi)發(fā)一種新的不用訓(xùn)練的控制動(dòng)物機(jī)器人(大鼠)轉(zhuǎn)向的新方法十分有意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于丘腦電刺激控制動(dòng)物機(jī)器人轉(zhuǎn)向的方法。
[0007]—種基于丘腦腹后中間核電刺激控制動(dòng)物機(jī)器人轉(zhuǎn)向的方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0008](I)將兩個(gè)刺激電極分別埋置到動(dòng)物機(jī)器人的兩側(cè)腹后中間核區(qū)域，將電刺激背包安裝到動(dòng)物機(jī)器人上；
[0009](2)通過(guò)上位機(jī)設(shè)置電刺激的波形參數(shù)，將所述波形參數(shù)無(wú)線傳輸?shù)絼?dòng)物機(jī)器人背部的電刺激背包，由電刺激背包控制刺激電極對(duì)動(dòng)物機(jī)器人進(jìn)行電刺激，完成轉(zhuǎn)向。
[0010]本發(fā)明中由電刺激背包控制刺激電極對(duì)動(dòng)物機(jī)器人進(jìn)行電刺激應(yīng)理解為刺激電極接收電刺激背包產(chǎn)生的電刺激信號(hào)在動(dòng)物機(jī)器人腦內(nèi)指定位置給予電刺激。
[0011]哺乳動(dòng)物的丘腦負(fù)責(zé)大量的感覺(jué)信息的整合，哺乳動(dòng)物的丘腦相對(duì)于感覺(jué)皮層來(lái)說(shuō)要小得多，其內(nèi)部的神經(jīng)元密度也要大于感覺(jué)皮層。其中和哺乳動(dòng)物體表感覺(jué)相關(guān)的丘腦亞核團(tuán)包括丘腦后中間核(poster1r group, POM)、丘腦腹后中間核(VentralPoster1r Medial Nucleus, VPM)和丘腦腹后外側(cè)核(Ventral Poster1r LateralNUCleUS，VPL)。其中，POM通過(guò)胼胝體把神經(jīng)信號(hào)傳到兩側(cè)的大腦感覺(jué)皮層的區(qū)域；VPL區(qū)域的上傳神經(jīng)也投射到大腦對(duì)側(cè)感覺(jué)皮層，但不同于VPM，VPL的投射區(qū)域主要負(fù)責(zé)身體對(duì)側(cè)的本體感覺(jué)、皮膚感覺(jué)等；VPM的上傳神經(jīng)投射到對(duì)側(cè)的大腦感覺(jué)皮層，主要包括對(duì)側(cè)胡須和頭面部的感覺(jué)形成區(qū)域。因此，通過(guò)電刺激動(dòng)物機(jī)器人丘腦的丘腦腹后中間核可以激活相應(yīng)的丘腦-皮層投射回路，使動(dòng)物機(jī)器人產(chǎn)生虛擬的感覺(jué)，從而完成轉(zhuǎn)向。
[0012]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)不依賴于獎(jiǎng)賞訓(xùn)練的完成動(dòng)物機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制，直接通過(guò)電刺激實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向角度的可控，省略了大量的訓(xùn)練時(shí)間，工作效率高，具有良好的應(yīng)用前景。
[0013]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了大鼠轉(zhuǎn)向角度的可控，并不是指可以通過(guò)電刺激精確的控制動(dòng)物機(jī)器人(大鼠)向左或者向右轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度，例如“向左轉(zhuǎn)27度”、“向右轉(zhuǎn)32度”等指令，而是允許存在一定范圍的誤差，本發(fā)明中動(dòng)物機(jī)器人的轉(zhuǎn)向角度的范圍為O?300°。
[0014]所述刺激電極通過(guò)牙科水泥固定在動(dòng)物機(jī)器人的顱骨上。
[0015]電極絲的直徑、材料以及尖端的電極絲長(zhǎng)度差、絕緣層剝除長(zhǎng)度都與電極埋置后兩端的阻抗有關(guān)，如果阻抗很大，要激活一定區(qū)域的神經(jīng)元就需要很大的電壓，這對(duì)于大鼠和外圍設(shè)備都是不利的；另一方面，如果一味地通過(guò)增加直徑、大量剝除絕緣層的方法降低阻抗，則會(huì)使大范圍的腦區(qū)受到電刺激，大鼠將不能完成轉(zhuǎn)向。因此，為了使刺激區(qū)域在目標(biāo)區(qū)域的前提下盡量降低電極阻抗。
[0016]作為優(yōu)選，所述刺激電極為65um鎳鎘合金絲制作而成的雙絞刺激電極。
[0017]作為優(yōu)選，所述雙絞刺激電極的尖端設(shè)有兩根電極絲，所述兩根電極絲前端的長(zhǎng)度相差0.4mm,前端均剝除0.2mm長(zhǎng)的絕緣層。
[0018]所述步驟(I)腹后中間核區(qū)域的具體位置為:前囟位置AP=_2.8?-3.2mm,旁開(kāi)距離 ML= 土(2.3 ?2.8) mm,深度 DV=6 ?6.5mm。
[0019]電極的埋置位置是能否實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵，坐標(biāo)位置參照標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜，該標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜見(jiàn)文獻(xiàn)Paxinos G;Watson C The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates5th Edit1n,2004。
[0020]所述步驟(2)中的電刺激為電壓刺激。
[0021]通過(guò)電壓刺激控制轉(zhuǎn)向，便于實(shí)現(xiàn)。
[0022]所述步驟(2)中的波形參數(shù)包括刺激時(shí)長(zhǎng)、電壓幅值、占空比和頻率。
[0023]電壓刺激時(shí)，該電壓的刺激時(shí)長(zhǎng)、電壓幅值、占空比和頻率決定了動(dòng)物機(jī)器人的轉(zhuǎn)向的角度。
[0024]作為優(yōu)選，所述的占空比為0.5，所述的頻率為50HZ。
[0025]所述的電壓幅值為0.3?5.5V，所述的刺激時(shí)長(zhǎng)為O?0.5s。
[0026]在占空比和頻率一定的情況下，電壓幅值越大，刺激時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向角度越大，且動(dòng)物機(jī)器人對(duì)電壓幅值的敏感度大于刺激時(shí)長(zhǎng)，一般情況下，固定占空比和頻率，通過(guò)電壓幅值來(lái)粗略調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角度，再通過(guò)刺激時(shí)長(zhǎng)進(jìn)一步小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角度。
[0027]進(jìn)一步優(yōu)選，所述電壓幅值為2.5?3.5V。
[0028]電壓幅值不能選得過(guò)小，選得過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致在電刺激時(shí)長(zhǎng)縮短的時(shí)候不能引起轉(zhuǎn)向；相反，電壓幅值不能選得過(guò)大，過(guò)大的刺激電壓不但對(duì)大鼠的腦組織會(huì)造成損傷，還會(huì)激活更大的腦區(qū)使大鼠感受到其他影響大鼠轉(zhuǎn)向的刺激使轉(zhuǎn)向失敗，特別是痛覺(jué)加強(qiáng)。由于刺激電極被埋置到大鼠大腦之后，兩根電極直接的阻抗會(huì)不一樣，所以最佳電壓的值也會(huì)不一樣；另一方面，由于立體定位儀可能存在誤差以及大鼠本身存在的個(gè)體差異，每次手術(shù)，刺激電極的埋置不一定完全位于目標(biāo)位置，略有偏差在所難免。因此，不同動(dòng)物機(jī)器人的最佳電壓不一樣，同一只大鼠的不同側(cè)的轉(zhuǎn)向的最佳刺激電壓也不一樣，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中電壓幅值可以根據(jù)需要和實(shí)際情況隨時(shí)更改。
[0029]本發(fā)明的基于丘腦電刺激控制動(dòng)物機(jī)器人轉(zhuǎn)向的方法，通過(guò)電刺激動(dòng)物機(jī)器人丘腦的丘腦腹后中間核，可以激活相應(yīng)的丘腦-皮層投射回路，使動(dòng)物機(jī)器人產(chǎn)生虛擬的感覺(jué)，從而完成轉(zhuǎn)向。該方法擺脫了傳統(tǒng)要依靠獎(jiǎng)賞訓(xùn)練使大鼠學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)不依賴于獎(jiǎng)賞訓(xùn)練的完成動(dòng)物機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制，直接通過(guò)電刺激實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向角度的可控，省略了大量的訓(xùn)練時(shí)間，工作效率高，在動(dòng)物機(jī)器人導(dǎo)航，如在搜救、安保以及軍事等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本發(fā)明的基于丘腦VPM電刺激控制動(dòng)物機(jī)器人轉(zhuǎn)向的方法的流程圖；
[0031]圖2為確定運(yùn)動(dòng)方向的流程圖；
[0032]圖3為電壓幅值與轉(zhuǎn)向角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
[0033]圖4為刺激時(shí)長(zhǎng)與轉(zhuǎn)向角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明一種基于丘腦電刺激控制動(dòng)物機(jī)器人(大鼠)轉(zhuǎn)向的方法做詳細(xì)描述。
[0035]本方法通過(guò)以下刺激系統(tǒng)完成，包括:
[0036]上位機(jī)，上位機(jī)用于設(shè)置刺激波形參數(shù)；
[0037]電刺激背包，與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信，接受上位機(jī)設(shè)置的刺激波形參數(shù)，生成相應(yīng)的電刺激信號(hào)；
[0038]刺激電極(兩個(gè))，用于傳遞電刺激背包產(chǎn)生的電刺激信號(hào)在動(dòng)物機(jī)器人腦內(nèi)指定位置給予電刺激。
[0039]本實(shí)施例中上位機(jī)與電刺激背包間通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
[0040]本