基本信息
- 项目名称：
- 具有静止功能的大鼠导航机器人的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本研究旨在利用通过对大鼠PAG脑区施加的电刺激引发的“虚拟恐惧”来实现大鼠长时间可控静止状态的实现。本研究结果可被应用入大鼠导航动物机器人中，以完成大鼠机器人在某些任务（如抢险救灾）中的定点观察及隐蔽等行为。
- 详细介绍：
- 本项目拟以大鼠为实验对象，通过在实验动物大脑的多个特定核团或核团植入刺激的微电极，通过对微电极施加模拟的神经电脉冲，使动物得到虚拟的提示（‘virtual’ cues）、虚拟奖赏（‘virtual’ rewards）、虚拟恐惧（‘virtual’ fear）等刺激，并结合操作性条件反射的训练方法来控制大鼠在复杂环境中的直行、左右转向、静止等行为。通过数学的统计方法分析电生理刺激与动物行为的关系，建立起不同刺激参数与动物行为应答的模型，在选择合理的刺激模型并对动物进行训练后，实现对动物行为的精确控制，使其能代替人类或传统机器人在复杂的环境下完成一些很难或者是不能完成的任务。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的： 本项目拟以大鼠为实验对象，通过在实验动物大脑的多个特定核团或核团植入刺激的微电极，通过对微电极施加模拟的神经电脉冲，使动物得到虚拟的提示（‘virtual’ cues）、虚拟奖赏（‘virtual’ rewards）、虚拟恐惧（‘virtual’ fear）等刺激，并结合操作性条件反射的训练方法来控制大鼠在复杂环境中的直行、左右转向、静止等行为。通过数学的统计方法分析电生理刺激与动物行为的关系，建立起不同刺激参数与动物行为应答的模型，在选择合理的刺激模型并对动物进行训练后，实现对动物行为的精确控制，使其能代替人类或传统机器人在复杂的环境下完成一些很难或者是不能完成的任务。 基本思路： 创新点： 1. 模拟恐惧强度曲线 2. 利用多次间隔刺激控制静止时长 3. PAG惩罚刺激与MFB奖赏刺激结合，控制大鼠静止时长 4. 将理论结果应用于大鼠导航机器人中，控制其完成静止任务 技术关键： 找出模拟恐惧强度曲线，有效地控制静止时间的长短。 主要技术指标： 静止时间长短。
科学性、先进性
- 科学先进性: 目前的大鼠机器人只具有前进及转向功能，且控制其行动需要不断施加“前进”刺激，一旦停止给刺激，大鼠将依其自身意愿随意行动。我们给其加入了“停止”功能，这样，当我们需要大鼠停止在某一处时，我们可以根据任务要求使其处于“静止”状态，且静止时间长短在一定范围内可控制。加入了这项功能后，可以达到在任何行动状态下都完全控制大鼠的目的。此外，可选择性地在大鼠背包上加设摄像头，使大鼠导航机器人可以在抢险救灾、军事行动中完成危险情况下的定点观察等行动。
获奖情况及鉴定结果
- 2010.05 第五期国家大学生创新性实验计划项目批准 2010.11 第五期国家大学生创新性实验计划项目中期检查通过
作品所处阶段
- A．实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；录像。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 操作者可用PC机软件或遥控设备直接遥控大鼠在较为复杂环境中的前进、左右转向及静止。在实验室环境下，还可通过监视摄像机获得大鼠运动/静止状态的反馈信息。 技术特点及优势： 利用动物本身的运动机能，通过脑内电刺激作为提示使受过训练的动物能完成指定的任务。动物机器人在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性及适应性方面较普通机器人具有明显优势。 适应范围及推广前景： 由于大鼠导航机器人的高度灵活度、能量供给的简便性和可控性，本作品可用于抢险救灾、军事行动中，执行环境侦查等人及普通机器人较难完成的复杂行动。 市场分析： 由于本作品科技含量较高，而且涉及动物实验训练等过程，故不适合进行市场推广。
同类课题研究水平概述
- “动物机器人”是指利用动物的运动机能、动力供应体制,从动物的感受传入或神经支配入手,实现对动物的运动和某些行为的人为控制。相比于仿生机器人，动物机器人在诸多方面具有明显优势。动力方面，动物机器人无需外加能源供给设备，节能且具有更强的稳定性；设计方面，跳过了仿生机器人难于实现复杂动作的设计瓶颈，更易于在实际复杂环境中完成特定任务。 动物机器人的实现中，关键问题之一是，如何实现对动物的精确控制。目前在动物机器人的行为训练中，通过电脉冲刺激闹内特定的核团，如内侧脑前束、体觉皮层等，从而试图控制动物行为，使其可以代替人类或传统机器人在复杂的环境下完成一些很难甚至不可能的任务。与机械机器人不同，在对动物机器人的控制中，由于动物自身意愿的影响，动物对于人类发送的控制指令不能百分之百的精确完成；而且动物由于其自身的个体差异，对于不同动物个体的控制往往有不同的差异；同时，不同于机械机器人，动物机器人往往有着一个训练强化的过程，这个过程中掺杂了许多人为因素。这是由于这样的问题，在机械机器人控制中的比较成熟的控制理论和技术往往不能有效地移植到动物机器人的控制中来。因此，对动物行为的精确控制现已成为国内外动物机器人领域的研究难点及热点。 2002年美国纽约州立大学医学中心Chapin教授发现将电极植入大鼠脑部的体感皮层(SI)和内侧前脑束(MFB)-即通常所说的奖赏区-并给予适当的刺激,可使实验动物按照人所设想的路径行走;2007年浙江大学求是高等研究院郑筱祥教授等,进一步利用这种方法,实现了控制大鼠走八臂迷宫和穿越三维障碍物等. 2005年,L.C.Schenberg在总结前人的研究基础上得出刺激大鼠脑部的中脑导水管灰质(PAG)会诱发大鼠防御反应的结论。而我们设想，利用大鼠的防御反应，可能达到控制大鼠处于静止状态的目的。通过我们的项目-PAG电刺激诱发大鼠防御反应的定量分析与应用,我们已经初步实现PAG电刺激使大鼠在行动中停止的目的。
