基本信息
- 項目名稱：
- 具有靜止功能的大鼠導航機器人的研究
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本研究旨在利用通過對大鼠PAG腦區(qū)施加的電刺激引發(fā)的“虛擬恐懼”來實現(xiàn)大鼠長時間可控靜止狀態(tài)的實現(xiàn)。本研究結果可被應用入大鼠導航動物機器人中，以完成大鼠機器人在某些任務（如搶險救災）中的定點觀察及隱蔽等行為。
- 詳細介紹：
- 本項目擬以大鼠為實驗對象，通過在實驗動物大腦的多個特定核團或核團植入刺激的微電極，通過對微電極施加模擬的神經電脈沖，使動物得到虛擬的提示（‘virtual’ cues）、虛擬獎賞（‘virtual’ rewards）、虛擬恐懼（‘virtual’ fear）等刺激，并結合操作性條件反射的訓練方法來控制大鼠在復雜環(huán)境中的直行、左右轉向、靜止等行為。通過數(shù)學的統(tǒng)計方法分析電生理刺激與動物行為的關系，建立起不同刺激參數(shù)與動物行為應答的模型，在選擇合理的刺激模型并對動物進行訓練后，實現(xiàn)對動物行為的精確控制，使其能代替人類或傳統(tǒng)機器人在復雜的環(huán)境下完成一些很難或者是不能完成的任務。
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 發(fā)明目的： 本項目擬以大鼠為實驗對象，通過在實驗動物大腦的多個特定核團或核團植入刺激的微電極，通過對微電極施加模擬的神經電脈沖，使動物得到虛擬的提示（‘virtual’ cues）、虛擬獎賞（‘virtual’ rewards）、虛擬恐懼（‘virtual’ fear）等刺激，并結合操作性條件反射的訓練方法來控制大鼠在復雜環(huán)境中的直行、左右轉向、靜止等行為。通過數(shù)學的統(tǒng)計方法分析電生理刺激與動物行為的關系，建立起不同刺激參數(shù)與動物行為應答的模型，在選擇合理的刺激模型并對動物進行訓練后，實現(xiàn)對動物行為的精確控制，使其能代替人類或傳統(tǒng)機器人在復雜的環(huán)境下完成一些很難或者是不能完成的任務。 基本思路： 創(chuàng)新點： 1. 模擬恐懼強度曲線 2. 利用多次間隔刺激控制靜止時長 3. PAG懲罰刺激與MFB獎賞刺激結合，控制大鼠靜止時長 4. 將理論結果應用于大鼠導航機器人中，控制其完成靜止任務 技術關鍵： 找出模擬恐懼強度曲線，有效地控制靜止時間的長短。 主要技術指標： 靜止時間長短。
科學性、先進性
- 科學先進性: 目前的大鼠機器人只具有前進及轉向功能，且控制其行動需要不斷施加“前進”刺激，一旦停止給刺激，大鼠將依其自身意愿隨意行動。我們給其加入了“停止”功能，這樣，當我們需要大鼠停止在某一處時，我們可以根據任務要求使其處于“靜止”狀態(tài)，且靜止時間長短在一定范圍內可控制。加入了這項功能后，可以達到在任何行動狀態(tài)下都完全控制大鼠的目的。此外，可選擇性地在大鼠背包上加設攝像頭，使大鼠導航機器人可以在搶險救災、軍事行動中完成危險情況下的定點觀察等行動。
獲獎情況及鑒定結果
- 2010.05 第五期國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目批準 2010.11 第五期國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目中期檢查通過
作品所處階段
- A．實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產品；現(xiàn)場演示；錄像。
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 使用說明： 操作者可用PC機軟件或遙控設備直接遙控大鼠在較為復雜環(huán)境中的前進、左右轉向及靜止。在實驗室環(huán)境下，還可通過監(jiān)視攝像機獲得大鼠運動/靜止狀態(tài)的反饋信息。 技術特點及優(yōu)勢： 利用動物本身的運動機能，通過腦內電刺激作為提示使受過訓練的動物能完成指定的任務。動物機器人在能源供給、運動靈活性、隱蔽性、機動性及適應性方面較普通機器人具有明顯優(yōu)勢。 適應范圍及推廣前景： 由于大鼠導航機器人的高度靈活度、能量供給的簡便性和可控性，本作品可用于搶險救災、軍事行動中，執(zhí)行環(huán)境偵查等人及普通機器人較難完成的復雜行動。 市場分析： 由于本作品科技含量較高，而且涉及動物實驗訓練等過程，故不適合進行市場推廣。
同類課題研究水平概述
- “動物機器人”是指利用動物的運動機能、動力供應體制,從動物的感受傳入或神經支配入手,實現(xiàn)對動物的運動和某些行為的人為控制。相比于仿生機器人，動物機器人在諸多方面具有明顯優(yōu)勢。動力方面，動物機器人無需外加能源供給設備，節(jié)能且具有更強的穩(wěn)定性；設計方面，跳過了仿生機器人難于實現(xiàn)復雜動作的設計瓶頸，更易于在實際復雜環(huán)境中完成特定任務。 動物機器人的實現(xiàn)中，關鍵問題之一是，如何實現(xiàn)對動物的精確控制。目前在動物機器人的行為訓練中，通過電脈沖刺激鬧內特定的核團，如內側腦前束、體覺皮層等，從而試圖控制動物行為，使其可以代替人類或傳統(tǒng)機器人在復雜的環(huán)境下完成一些很難甚至不可能的任務。與機械機器人不同，在對動物機器人的控制中，由于動物自身意愿的影響，動物對于人類發(fā)送的控制指令不能百分之百的精確完成；而且動物由于其自身的個體差異，對于不同動物個體的控制往往有不同的差異；同時，不同于機械機器人，動物機器人往往有著一個訓練強化的過程，這個過程中摻雜了許多人為因素。這是由于這樣的問題，在機械機器人控制中的比較成熟的控制理論和技術往往不能有效地移植到動物機器人的控制中來。因此，對動物行為的精確控制現(xiàn)已成為國內外動物機器人領域的研究難點及熱點。 2002年美國紐約州立大學醫(yī)學中心Chapin教授發(fā)現(xiàn)將電極植入大鼠腦部的體感皮層(SI)和內側前腦束(MFB)-即通常所說的獎賞區(qū)-并給予適當?shù)拇碳?可使實驗動物按照人所設想的路徑行走;2007年浙江大學求是高等研究院鄭筱祥教授等,進一步利用這種方法,實現(xiàn)了控制大鼠走八臂迷宮和穿越三維障礙物等. 2005年,L.C.Schenberg在總結前人的研究基礎上得出刺激大鼠腦部的中腦導水管灰質(PAG)會誘發(fā)大鼠防御反應的結論。而我們設想，利用大鼠的防御反應，可能達到控制大鼠處于靜止狀態(tài)的目的。通過我們的項目-PAG電刺激誘發(fā)大鼠防御反應的定量分析與應用,我們已經初步實現(xiàn)PAG電刺激使大鼠在行動中停止的目的。
