作者：2017級本科生 蔡燁怡 所屬院系：自動化系
指導(dǎo)老師：趙杰亮 所屬院系：機械系
關(guān)鍵詞：腦機交互、半生物機器人
摘要
蜜蜂在飛行靈巧性和環(huán)境適應(yīng)性上都遠(yuǎn)超現(xiàn)有的微型飛行器。本項目展示了一種通過腦機接口進(jìn)行飛行運動控制的半機械蜜蜂。將可遙控的微機電系統(tǒng)和蜜蜂生物體結(jié)合。上位機指令由紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)MCU處理，產(chǎn)生特定的刺激序列，通過微電機被傳送到蜜蜂的兩側(cè)視葉，模擬視覺信號刺激，使得蜜蜂產(chǎn)生制定的振翅、轉(zhuǎn)向行為。
項目背景
昆蟲－機器接口是近年快速發(fā)展的一項新技術(shù)，有望解決人造微型飛行器所遇到的瓶頸。這種技術(shù)基于腦機接口（BCI）或神經(jīng)-機械接口，通過建立微電子機械系統(tǒng)與昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)或肌肉系統(tǒng)的相互融合，實現(xiàn)神經(jīng)電刺激，進(jìn)而遙控昆蟲自身的飛行運動。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電路的集成度快速提高，體積、質(zhì)量減小，這為輸出精細(xì)指令的無線通訊系統(tǒng)提供了技術(shù)可能性。這種結(jié)合了可控的微機電裝置和高靈活度的昆蟲生物體的系統(tǒng)，又稱為昆蟲機器人。基于腦機接口的生物機器人，涉及生物、醫(yī)學(xué)、計算機、通信等眾多領(lǐng)域，是一個交叉的研究方向。隨著電子技術(shù)和腦科學(xué)的發(fā)展，動物士兵、昆蟲士兵相繼出現(xiàn)，一些輔助診斷和輔助治療的系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上開始越來越廣泛的被應(yīng)用。
圖 1半機械蜜蜂示意圖
主要內(nèi)容
本項目采用蜜蜂作為飛行載體，以微控制器為核心元件集成飛行背包。項目主要分成三個部分。首先通過蜜蜂腦部視葉植入微電極絲，采集蜜蜂在光暗刺激和光亮刺激下的腦電位變化，總結(jié)視覺信號對蜜蜂腦部電位的影響。而后，通過固定和半自由狀態(tài)下的刺激實驗，得到不同刺激信號下的起飛成功率、振翅頻率、擺腹情況等數(shù)據(jù)，對比得到最佳刺激方案。同時，測試蜜蜂的載重能力、觀察蜜蜂的飛行運動特性，通過實驗找到一種最佳的生物 -機械耦合方式。后期根據(jù)得到的參數(shù)設(shè)計電路，設(shè)計和制作集成微型控制系統(tǒng)。最后將蜜蜂與飛行控制系統(tǒng)固定，進(jìn)行綜合調(diào)試，完成生物-機械系統(tǒng)的整合。
圖 2研究方法
主要成果
（1）積累了蜜蜂視葉光刺激下的腦電信號實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律并建立動態(tài)模型仿真。
（2）對現(xiàn)有的飛行控制電刺激參數(shù)進(jìn)行了驗證、優(yōu)化。
（3）完成了飛行控制背包的微型化，支持無線通訊，集成電路面積僅5.3mm*6mm，重量僅190mg。
本項目的研究成果在昆蟲士兵、可控授粉、生態(tài)學(xué)研究等方面有廣闊的應(yīng)用前景。
