基于光刺激的动物机器人行为控制技术研究
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摘 要：基于光刺激的动物机器人行为控制技术在动物机器人领域是一项新型动物机器人行为控制技术，利用动物对光刺激的应激性反应，达到活体动物按照控制者指令前行的效果，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、灵活性和隐蔽性，通过给动物穿戴控制设备，对动物进行无伤害控制，实现控制活体动物。本文以乌龟为研究对象，对乌龟进行光刺激实验，用不同波长的光刺激乌龟，得到实验数据，结合这些实验数据，我们选择最佳的光学元件，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，进行理论研究的验证。
关键词：光遗传学技术；光刺激；动物机器人；乌龟机器人；控制实验
1 动物机器人的背景：
20世纪90年代以来，机器人技术的应用从制造领域逐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研究已成为机器人技术研究和发展的主要方向。历经35亿年的物竞天择，动物体发展了灵活的运动机构和机敏的运动模式，这成为机器人发展新方向。
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控制动物行为。动物机器人可充分利用动物的灵活的协调能力、天然隐蔽能力和优越的环境适应能力等优势，协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控制的动物机器人成为当今世界备受关注的研究热点。
动物的神经系统经大自然的物竞天择后完善且复杂，由电信号完成信息传递，其精确性、灵活性、协调性、隐蔽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复杂、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，给人类带来难以避免的问题。
2 控制原理：
光刺激属于光遗传学技术，其研究最先开始于神经领域，它融合了光学和遗传学的最新成果，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，对脑神经环路的研究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控制。例如，突触棘染色观察突触连接强度；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情况；生理学切除方法，切除某一特定功能脑区，观察小鼠行为学上的变化，判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，采用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成功表达之后，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变化，离子通透性的改变使细胞膜两侧膜电位发生变化，从而使带有该基因的神经元在光照刺激下產生应答。
光刺激的优势体现在下面几个方面：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周围神经元以及组织的正常生理活动产生影响，实验提取的数据往往不精准。而光遗传学技术是通过控制离子通透性，改变细胞膜两侧膜电位来控制神经元的应答。光遗传学技术对动物机器人控制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所有遗传物质。以光通道蛋白为媒介，光刺激器发出的信号通过控制通道蛋白的开启与关闭，进而控制了神经细胞的活动，细胞膜上离子通道控制着离子的进出，离子浓度不同的时候会导致细胞膜电位发生变化。光遗传学技术通过控制通道蛋白的开启与关闭，直接控制神经细胞的兴奋和抑制，这种控制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灵活小巧的身躯进入狭小空间，完成搜索、检验等高难度任务；
在刑侦领域，可利用遥控控制功能监视、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，动物意志控制技术对脑科学、神经修复技术等的发展有重要意义；
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，增强安全保障。
参考文献
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作者简介：裴雷（1997-），男，汉族，郑州大学机械工程学院2016级学生
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