当我们沉浸在科幻电影《阿凡达》的 “机器人军团”大战的震撼场面时,我们不禁会问,用人脑控制的“阿凡达”离我们还有多远?其实,世界上许多国家包括日本,美国等都已经投入大量人力和物力开展动物机器人的研究工作,这项工作的潜在应用对人类具有重大意义。我国在这方面也不甘落后,相关研究在紧锣密鼓的进行中。近日,由中科院合肥智能机械研究所黄炫博士领导的研究小组传来喜讯,该团队在动物机器人遥控导航研究方面取得了开创性的进展。
当我们沉浸在科幻电影《阿凡达》的 “机器人军团”大战的震撼场面时,我们不禁会问,用人脑控制的“阿凡达”离我们还有多远?
其实,世界上许多国家包括日本,美国等都已经投入大量人力和物力开展动物机器人的研究工作,这项工作的潜在应用对人类具有重大意义。
今年年初,美国国防高级研究计划署(DARPA)正式宣布,他们将进行一项名为“阿凡达”的科研项目。该项目旨在打造一支像“阿凡达”一样受远程遥控导航的机器人团队。
DARPA斥资千万美元资助美国国内6大实验室以老鼠、猿猴为研究对象, 进行可控制的动物机器人研究。其中美国纽约州立大学的科研小组成功实现了人工控制老鼠的多种运动行为。
美国杜克大学医学研究中心的研究小组在猴脑中植入电极,记录猴脑相关行为时的电极信号, 经过对信号进行分析筛选后按一定模式发出指令,从而实现了对机器手臂的控制。
与此同时日本政府向东京大学投资340万英镑用于研制可携带照相机的蟑螂机器人,用于灾难发生后的搜索与救援工作。如图:
我国在这方面也不甘落后,相关研究在紧锣密鼓的进行中。近日,由中科院合肥智能机械研究所黄炫博士领导的研究小组传来喜讯,该团队在动物机器人遥控导航研究方面取得了开创性的进展。
简单来说,他们的工作就是在实验大鼠的脑子里植入微电极,将计算机产生的具有一定规律的电信号,施加到鼠脑里具有特定功能的神经核团,通过电信号刺激神经核团就能实现对大鼠的运动进行有效地控制。
该团队集中了一批朝气蓬勃的,具有生物学,自动化,通信工程等多学科背景的科研人员, 让“动物机器人”研发工作得以顺利开展。
据该项目负责人黄炫博士介绍,该研究小组研发了一种基于德州仪器(TI)CC2430芯片的动物机器人遥控导航装置,该遥控装置由两部分组成,手持遥控器和机器人携带的信号接收装置。如图所示:
手持遥控器....................... 信号接收器
研究小组积累了大量的基础实验数据,发现在操作过程中把对动物机器人(大鼠)的刺激电压固定在一定范围,就能够通过调整刺激的脉冲宽度和脉冲个数对大鼠进行控制训练。
该遥控装置采用CC2430芯片作为动物机器人的核心芯片,在硬件设计上集通信模块、刺激模块、控制模块于一体,其控制系统参考ZigBee协议,应用点对点的通信协议。
刺激模块选择具有6路开漏输出的驱动器,避免使用传统的数模转换刺激,减小了电路板所需空间,便于大鼠携带。
并且,由于遥控导航过程采用点对点通信模式,因此有效地保障了通信的可靠性和安全性。经过实验测试,在75米范围内的复杂环境下该遥控装置通信稳定,性能良好。
为了降低能耗,研究小组成员还通过利用CC2430芯片的睡眠/唤醒机制,从而在很大程度上延长了电池的使用寿命。
黄博士还介绍,目前微小型机器人研究的两大瓶颈:一是运动距离受到自身携带能量能力的限制,二是工作能力受到自身携带器件数量的限制。而他们开发的该遥控导航装置最大的特点是体积小,重量轻,能耗低,因此解决了动物机器人运动距离和可携带器件的瓶颈问题。
该项目获得了国家自然科学基金委的积极支持,相关专利申请工作正在进行中,相信这一创新成果将会在动物机器人研究领域作出积极和重要的贡献。随着生物机器人项目研究的成熟,“人工电信号”将会“逼真”到与脑内和体内的实际电信号相同或基本相同的程度。届时,将计算机芯片植入人或动物体内,可代替动物的部分神经以实现对动物某些行为的控制,或代替人体内损坏的部分神经而实现残疾人的康复。
采访完这个创新型研究团队后,我们相信在不久的将来,在国家的大力支持下,拥有属于我国自主创新研发,具有自主知识产权的“阿凡达”不再只是梦想,而那些因缺失神经支配造成的残疾也有了康复的希望。
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