A Novel Movement Behavior Control Method for Carp Robot through the Stimulation of Medial Longitudinal Fasciculus Nucleus of Midbrain

Biological robot is a kind of creature controlled by human beings by applying intervention signals through control technology to regulate biological behavior.At present,the research on bio-robot mainly focuses on terrestrial mammals and insects,while the research on aquatic animal robot is less.Early studies have shown that the medial longitudinal fasciculus nucleus(NFLM)of carp midbrain was related to tail wagging,but the research has not been applied to the navigation control of the carp robot.The purpose of this study is to realize the quantitative control of the forward and steering behavior of the carp robot by NFLM electrical stimulation.Under the condition of no craniotomy,brain electrode was implanted into the NFLM of the carp midbrain,and the underwater control experiment was carried out by applying different electrical stimulation parameters.Using the ImageJ software and self-programmed,the forward motion speed and steering angle of steering motion of the carp robot before and after being stimulated were calculated.The experimental results showed for the carp robot that was induced the steering motion,the left and right steering motion of 30°to 150°could be achieved by adjusting the stimulation parameters,for the carp robot that was induced the forward motion,the speed of forward motion could be controlled to reach 100 cm/s.The research lays a foundation for the accurate control of the forward and steering motion of the aquatic animal robot.

鲤鱼机器人无线遥控系统设计与应用

为解决有线控制时导线对水生动物机器人缠绕和运动束缚问题,设计一种鲤鱼机器人脑电刺激无线遥控系统。其中,系统硬件包括无线通信模块、电刺激信号生成模块、电源模块,系统软件包括串口通信设置、运动模式选择。将脑电极植入后在颅腔表面进行防水封固,将无线电刺激器放入防水包内搭载于鲤鱼机器人上,利用上位机远程控制无线电刺激器,令电刺激器发射信号通过电极刺激脑运动区,控制鲤鱼机器人运动。将鲤鱼机器人(n=10)置于水迷宫进行水下实验,结果显示该系统可以控制鲤鱼机器人的前进、左转向和右转向运动,成功率分别为60%、70%、80%,表明所设计系统及应用方法对鲤鱼机器人水下无线控制均是有效且可行的。

面向生物控制的鲤鱼脑组织及脑电极三维重建

为了给鲤鱼机器人脑电极准确植入进行定位导航,本研究拟建立脑结构及脑电极三维立体模型。借助脑立体定位仪将钨电极植入鲤鱼小脑,通过离水电刺激实验和水下控制实验发现脑运动区并获取其三维坐标值,应用3.0 T磁共振成像仪对颅脑及电极成像,应用3D-DOCTOR和Mimics软件进行三维重建。结果显示,所发现的脑运动区及坐标值是准确的,构建的脑组织及脑电极三维重建图再现了脑立体结构,可观察到脑电极与脑组织、脑组织与颅骨表面的相对空间位置关系;通过构建的脑组织三维重建综合显示图,可观察到三维重建的脑组织在磁共振图像中的解剖位置,以及脑组织与颅骨表面的相对空间位置关系。本研究所构建的三维重建模型可为脑电极植入提供定位导航工具。

一种用于鲤鱼机器人的光刺激装置及光控实验方法

为解决水生动物机器人因植入脑电极而产生的脑组织损伤、出血、感染和水肿等问题,本文提出了一种用于鲤鱼机器人的光刺激装置及光控实验方法。该装置是根据鲤鱼颅骨形状用万能板切割而成"王"字型结构,可为光刺激源提供A、B、C三组搭载桥平台,每组搭载桥两端各焊接一个跳线板,将发光二极管(LED)作为光刺激源插入跳线板中,将跳线板所有负极通过导线连接到控制台,LED灯根据波长需要可以更换,还可选择多种组合光刺激方式。将该装置搭载于鲤鱼头部,将鲤鱼机器人置于水迷宫中,观察应用光控方法在暗光下控制鲤鱼机器人(n=10)前进及转向等运动。结果显示,三组红光光控实验成功率在53%~87%,三组蓝光光控实验成功率在50%~80%。研究表明该装置与方法具有可行性。

不同波长的光对鲤鱼机器人运动行为影响的研究

为研究不同波长的光对鲤鱼机器人运动行为的影响,本研究对鲤鱼机器人进行趋光性实验、解剖实验、光控实验和测速实验。分别选用蓝、绿、黄、红四种不同波长的光对鲤鱼进行趋光性实验,观察其运动行为。通过解剖鲤鱼颅骨确定光控装置的适宜搭载位点,并自主研制一种适用于任何光照强度环境的光控搭载装置。对鲤鱼机器人进行光控实验,利用计算机双目立体视觉技术对鲤鱼机器人运动行为检测,应用核相关滤波算法(KCF)跟踪鲤鱼机器人并获取其运动轨迹,根据其运动轨迹计算不同波长光控制下的鲤鱼机器人运动速度。结果显示,鲤鱼对光由强到弱的敏感性依次为蓝、红、黄、绿,不同波长的光控制鲤鱼机器人的速度具有一定规律可循。本研究可为鲤鱼机器人控制提供一种避免脑损伤的新方法。

面向鲤鱼机器人控脑技术的磁共振坐标转换方法研究及应用

为解决鲤鱼脑组织坐标准确定位问题,本文提出一种将鲤鱼脑组织磁共振成像坐标转换为应用脑立体定位仪进行电极植入所需坐标的方法。本研究应用3.0T磁共振成像仪对鲤鱼颅脑成像,自主建立颅脑三维立体定位坐标系、颅骨表面辅助三维坐标系和脑组织内部辅助三维坐标系,经两次坐标转换,将脑电极植入位点磁共振图像坐标转换到三维立体定位坐标系中以引导电极植入。实验分A、B两组,A组为磁共振成像仪结合脑立体定位仪组,B组为脑图谱结合脑立体定位仪组,每组鲤鱼20尾(n=20),分别应用两种方法将电极植入小脑运动区。进行鲤鱼机器人水下实验检验,结果表明A组和B组植入电极准确度分别为90%和60%,A组成功率明显高于B组(P <0.05)。故本文的新方法能够准确定位鲤鱼脑组织的坐标。

仿生机器鱼尾鳍推进性能实验研究

该文研制了仿鲤鱼机器鱼平台,并通过系泊测力实验研究了自然界常见的圆形、叉形和新月形尾鳍的推进性能,同时比较了刚性、弹性两种材质对尾鳍推进性能的影响。结果表明,弹性尾鳍让机器鱼的平均推力随振幅和频率的变化更平稳;在摆动频率处于中高段时,展弦比较大的刚性尾鳍比弹性尾鳍能产生更大的推力,而展弦比较小的弹性尾鳍比刚性尾鳍能产生更大的推力。