基于光刺激的动物机器人行为操纵技术研究.docxVIP

PAGE 1 - 基于光刺激的动物机器人行为操纵技术研究 基于光刺激的动物机器人行为操纵技术讨论 摘要：基于光刺激的动物机器人行为操纵技术在动物机器人领域是一项新型动物机器人行为操纵技术，利用动物对光刺激的应激性反应，到达活体动物根据操纵者指令前行的效果，开拓全新的动物机器人方向。该技术旨在充分利用动物本身的运动性能、敏捷性和隐藏性，通过给动物穿戴操纵设备，对动物进行无损害操纵，实现操纵活体动物。本文以乌龟为讨论对象，对乌龟进行光刺激试验，用不同波长的光刺激乌龟，得到试验数据，结合这些试验数据，我们选择最正确的光学元件，将其与其他硬件集成，然后得到基于光刺激的动物机器人试验样机，进行理论讨论的验证。 关键词：光遗传学技术；光刺激；动物机器人；乌龟机器人；操纵试验 1动物机器人的背景： 20世纪90年月以来，机器人技术的应用从制造领域渐渐扩充到非制造领域，因此基于非结构环境、极限环境下的先进和特种机器人技术及应用讨论已成为机器人技术讨论和进展的主要方向。历经35亿年的物竞天择，动物体进展了敏捷的运动机构和机敏的运动模式，这成为机器人进展新方向。 动物机器人是一种将机械电子设备与动物机体相结合的混合型机器人，人类可通过施加可被生物感知的干预信号调控动物的生物意志从而实现操纵动物行为。动物机器人可充分利用动物的敏捷的协调能力、自然?隐藏能力和优越的环境适应能力等优势，帮助人类完成一些特殊任务。因此把动物与研制的电子装置相结合构成可受人类操纵的动物机器人成为当今世界备受关注的讨论热点。 动物的神经系统经大自然的物竞天择后完善且冗杂，由电信号完成信息传递，其精确性、敏捷性、协调性、隐藏性等机体性能远高于当今市场上的传统移动机器人，且动物机器人可自主觅食，轻松满足其能量供给。而市场上现有的特种机器人存在着操作冗杂、造价高昂、协调性差、能源供给被动等难以解决的缺陷，且其体型笨重，肢体僵硬导致功能单一、行动受限，给人类带来难以幸免的问题。 2操纵原理： 光刺激属于光遗传学技术，其讨论最先开始于神经领域，它融合了光学和遗传学的必威体育精装版成果，在生物工程技术上应用广泛，是一项生物学的创新技术。 在光遗传学出现之前，对脑神经环路的讨论大多停留在对某一区域的刺激上，这些方法的缺点在于不能特异性地对某一类神经元进行精确操纵。例如，突触棘染色观看突触连接强度；电生理学刺激和反应记录，在小鼠脑部植入微电极进行刺激并记录小鼠神经元的放电状况；生理学切除方法，切除某一特定功能脑区，观看小鼠行为学上的改变，推断该脑区与运动行为的对应关系。 光遗传学技术的基本原理是：自然界某些生物体内存在一-种光敏蛋白，当不同波长的光照射该光敏蛋白的时候，这种光敏蛋白会产生不同的响应。利用光敏蛋白的这些特性，接受基因操作技术将光敏蛋白的基因转入某些具有特定功能的细胞。光敏蛋白的基因在这种细胞中胜利表达之后，用不同波长的光照刺激该细胞，该细胞的离子通透性会发生改变，离子通透性的转变使细胞膜两侧膜电位发生改变，从而使带有该基因的神经元在光照刺激下產生应答。 光刺激的优势表达在下面几个方面：电刺激方式的整个过程都会对神经元产生创伤，植入神经元的电极在放电过程中会对四周神经元以及组织的正常生理活动产生影响，试验提取的数据往往不精准。而光遗传学技术是通过操纵离子通透性，转变细胞膜两侧膜电位来操纵神经元的应答。光遗传学技术对动物机器人操纵的前提在于通过基因技术向神经细胞导入了光感基因，光感基因携带了形成光通道蛋白的全部遗传物质。以光通道蛋白为媒介，光刺激器发出的信号通过操纵通道蛋白的开启与关闭，进而操纵了神经细胞的活动，细胞膜上离子通道操纵着离子的进出，离子浓度不同的时候会导致细胞膜电位发生改变。光遗传学技术通过操纵通道蛋白的开启与关闭，直接操纵神经细胞的兴奋和抑制，这种操纵方式更趋近于模拟正常神经细胞的活动状态。 3市场应用： 在军事领域，动物机器人可利用动物敏捷小巧的身躯进入狭小空间，完成搜寻、检验等高难度任务； 在刑侦领域，可利用遥控操纵功能监视、跟踪不法分子，进行反恐与刑事侦查； 在救灾抢险领域，可利用动物机器人快速搜查灾区，定位幸存人员，提高救灾人员搜救效率； 在医疗健康领域，动物意志操纵技术对脑科学、神经修复技术等的进展有重要意义； 在安保领域，动物机器人可对人类难以触及的关键地点与节点进行排查，降低安全风险，增添安全保障。