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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 具有靜止功能的大鼠導(dǎo)航機(jī)器人的研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本研究旨在利用通過(guò)對(duì)大鼠PAG腦區(qū)施加的電刺激引發(fā)的“虛擬恐懼”來(lái)實(shí)現(xiàn)大鼠長(zhǎng)時(shí)間可控靜止?fàn)顟B(tài)的實(shí)現(xiàn)。本研究結(jié)果可被應(yīng)用入大鼠導(dǎo)航動(dòng)物機(jī)器人中，以完成大鼠機(jī)器人在某些任務(wù)（如搶險(xiǎn)救災(zāi)）中的定點(diǎn)觀察及隱蔽等行為。
- 詳細(xì)介紹：
- 本項(xiàng)目擬以大鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物大腦的多個(gè)特定核團(tuán)或核團(tuán)植入刺激的微電極，通過(guò)對(duì)微電極施加模擬的神經(jīng)電脈沖，使動(dòng)物得到虛擬的提示（‘virtual’ cues）、虛擬獎(jiǎng)賞（‘virtual’ rewards）、虛擬恐懼（‘virtual’ fear）等刺激，并結(jié)合操作性條件反射的訓(xùn)練方法來(lái)控制大鼠在復(fù)雜環(huán)境中的直行、左右轉(zhuǎn)向、靜止等行為。通過(guò)數(shù)學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法分析電生理刺激與動(dòng)物行為的關(guān)系，建立起不同刺激參數(shù)與動(dòng)物行為應(yīng)答的模型，在選擇合理的刺激模型并對(duì)動(dòng)物進(jìn)行訓(xùn)練后，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物行為的精確控制，使其能代替人類或傳統(tǒng)機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境下完成一些很難或者是不能完成的任務(wù)。
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的： 本項(xiàng)目擬以大鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物大腦的多個(gè)特定核團(tuán)或核團(tuán)植入刺激的微電極，通過(guò)對(duì)微電極施加模擬的神經(jīng)電脈沖，使動(dòng)物得到虛擬的提示（‘virtual’ cues）、虛擬獎(jiǎng)賞（‘virtual’ rewards）、虛擬恐懼（‘virtual’ fear）等刺激，并結(jié)合操作性條件反射的訓(xùn)練方法來(lái)控制大鼠在復(fù)雜環(huán)境中的直行、左右轉(zhuǎn)向、靜止等行為。通過(guò)數(shù)學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法分析電生理刺激與動(dòng)物行為的關(guān)系，建立起不同刺激參數(shù)與動(dòng)物行為應(yīng)答的模型，在選擇合理的刺激模型并對(duì)動(dòng)物進(jìn)行訓(xùn)練后，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物行為的精確控制，使其能代替人類或傳統(tǒng)機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境下完成一些很難或者是不能完成的任務(wù)。 基本思路： 創(chuàng)新點(diǎn)： 1. 模擬恐懼強(qiáng)度曲線 2. 利用多次間隔刺激控制靜止時(shí)長(zhǎng) 3. PAG懲罰刺激與MFB獎(jiǎng)賞刺激結(jié)合，控制大鼠靜止時(shí)長(zhǎng) 4. 將理論結(jié)果應(yīng)用于大鼠導(dǎo)航機(jī)器人中，控制其完成靜止任務(wù) 技術(shù)關(guān)鍵： 找出模擬恐懼強(qiáng)度曲線，有效地控制靜止時(shí)間的長(zhǎng)短。 主要技術(shù)指標(biāo)： 靜止時(shí)間長(zhǎng)短。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)先進(jìn)性: 目前的大鼠機(jī)器人只具有前進(jìn)及轉(zhuǎn)向功能，且控制其行動(dòng)需要不斷施加“前進(jìn)”刺激，一旦停止給刺激，大鼠將依其自身意愿隨意行動(dòng)。我們給其加入了“停止”功能，這樣，當(dāng)我們需要大鼠停止在某一處時(shí)，我們可以根據(jù)任務(wù)要求使其處于“靜止”狀態(tài)，且靜止時(shí)間長(zhǎng)短在一定范圍內(nèi)可控制。加入了這項(xiàng)功能后，可以達(dá)到在任何行動(dòng)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(shè)攝像頭，使大鼠導(dǎo)航機(jī)器人可以在搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事行動(dòng)中完成危險(xiǎn)情況下的定點(diǎn)觀察等行動(dòng)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2010.05 第五期國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目批準(zhǔn) 2010.11 第五期國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目中期檢查通過(guò)
作品所處階段
- A．實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品；現(xiàn)場(chǎng)演示；錄像。
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明： 操作者可用PC機(jī)軟件或遙控設(shè)備直接遙控大鼠在較為復(fù)雜環(huán)境中的前進(jìn)、左右轉(zhuǎn)向及靜止。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，還可通過(guò)監(jiān)視攝像機(jī)獲得大鼠運(yùn)動(dòng)/靜止?fàn)顟B(tài)的反饋信息。 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)： 利用動(dòng)物本身的運(yùn)動(dòng)機(jī)能，通過(guò)腦內(nèi)電刺激作為提示使受過(guò)訓(xùn)練的動(dòng)物能完成指定的任務(wù)。動(dòng)物機(jī)器人在能源供給、運(yùn)動(dòng)靈活性、隱蔽性、機(jī)動(dòng)性及適應(yīng)性方面較普通機(jī)器人具有明顯優(yōu)勢(shì)。 適應(yīng)范圍及推廣前景： 由于大鼠導(dǎo)航機(jī)器人的高度靈活度、能量供給的簡(jiǎn)便性和可控性，本作品可用于搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事行動(dòng)中，執(zhí)行環(huán)境偵查等人及普通機(jī)器人較難完成的復(fù)雜行動(dòng)。 市場(chǎng)分析： 由于本作品科技含量較高，而且涉及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練等過(guò)程，故不適合進(jìn)行市場(chǎng)推廣。
同類課題研究水平概述
- “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)物的感受傳入或神經(jīng)支配入手,實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和某些行為的人為控制。相比于仿生機(jī)器人，動(dòng)物機(jī)器人在諸多方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。動(dòng)力方面，動(dòng)物機(jī)器人無(wú)需外加能源供給設(shè)備，節(jié)能且具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)方面，跳過(guò)了仿生機(jī)器人難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)作的設(shè)計(jì)瓶頸，更易于在實(shí)際復(fù)雜環(huán)境中完成特定任務(wù)。 動(dòng)物機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)中，關(guān)鍵問(wèn)題之一是，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物的精確控制。目前在動(dòng)物機(jī)器人的行為訓(xùn)練中，通過(guò)電脈沖刺激鬧內(nèi)特定的核團(tuán)，如內(nèi)側(cè)腦前束、體覺皮層等，從而試圖控制動(dòng)物行為，使其可以代替人類或傳統(tǒng)機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境下完成一些很難甚至不可能的任務(wù)。與機(jī)械機(jī)器人不同，在對(duì)動(dòng)物機(jī)器人的控制中，由于動(dòng)物自身意愿的影響，動(dòng)物對(duì)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(dòng)物由于其自身的個(gè)體差異，對(duì)于不同動(dòng)物個(gè)體的控制往往有不同的差異；同時(shí)，不同于機(jī)械機(jī)器人，動(dòng)物機(jī)器人往往有著一個(gè)訓(xùn)練強(qiáng)化的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中摻雜了許多人為因素。這是由于這樣的問(wèn)題，在機(jī)械機(jī)器人控制中的比較成熟的控制理論和技術(shù)往往不能有效地移植到動(dòng)物機(jī)器人的控制中來(lái)。因此，對(duì)動(dòng)物行為的精確控制現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外動(dòng)物機(jī)器人領(lǐng)域的研究難點(diǎn)及熱點(diǎn)。 2002年美國(guó)紐約州立大學(xué)醫(yī)學(xué)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(nèi)側(cè)前腦束(MFB)-即通常所說(shuō)的獎(jiǎng)賞區(qū)-并給予適當(dāng)?shù)拇碳?可使實(shí)驗(yàn)動(dòng)物按照人所設(shè)想的路徑行走;2007年浙江大學(xué)求是高等研究院鄭筱祥教授等,進(jìn)一步利用這種方法,實(shí)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(jié)前人的研究基礎(chǔ)上得出刺激大鼠腦部的中腦導(dǎo)水管灰質(zhì)(PAG)會(huì)誘發(fā)大鼠防御反應(yīng)的結(jié)論。而我們?cè)O(shè)想，利用大鼠的防御反應(yīng)，可能達(dá)到控制大鼠處于靜止?fàn)顟B(tài)的目的。通過(guò)我們的項(xiàng)目-PAG電刺激誘發(fā)大鼠防御反應(yīng)的定量分析與應(yīng)用,我們已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)PAG電刺激使大鼠在行動(dòng)中停止的目的。
