[發明專利]一種基于丘腦腹后中間核電刺激控制動物機器人轉向的方法

在審

• 申請號: 201310632572.7
• 申請日: 2013-11-29
• 公開（公告）號: CN104679028A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 許科帝;周宏;張佳呈;韓業超;趙鳴謙;張韶岷;鄭筱祥
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及動物機器人，具體涉及一種基于丘腦腹后中間核電刺激控制動物機器人轉向的方法。

背景技術

“動物機器人”是指利用動物的運動機能、動力供應體制，從動物的感受轉入或神經支配入手，實現對動物的運動和某些行為的控制。近年來，隨著腦機接口（Brain-Computer-Interface，BCI）技術的發展，已經實現了通過外部刺激直接干預動物的大腦。在動物的大腦的特定區域植入微電極提供電刺激，使動物產生虛擬的感覺，包括獎賞、恐懼和觸覺等。因為這種電刺激是人可以控制的，所以人可以控制動物產生這些虛擬的感覺，從而可以訓練動物完成特定的動作，例如：壓桿和導航。

大鼠導航是一個以動物機器人（大鼠）為基礎，利用外部電刺激控制運動路徑的任務。動物機器人（大鼠）在能源供給、運動靈活性、隱蔽性、機動性和適應性方面比機器人以及仿生機器人具有更明顯的優勢。大鼠導航因此具有廣泛的應用前景，例如在災害救援中搜索幸存者、反恐、安保以及軍事中。

動物機器人（大鼠）的左右轉向控制可通過電刺激大鼠左右側的胡須區（Barrel?Cortex，BF）結合獎賞訓練來實現。作為提示，當大鼠接受到某一側的感覺皮層電刺激時，如果大鼠恰好向需要的一邊轉頭，則馬上使用電刺激獎賞區或給予食物/水的獎勵來訓練強化這種提示刺激與轉頭的關系。通過一定的訓練后，可以較為穩定的實現大鼠的轉向控制。（參考文獻：張韶岷,王鵬,江君等.大鼠遙控導航及其行為訓練系統的研究[J].中國生物醫學工程學報，2007,26(6):830-836.0258-8021.2007.06.006.）電刺激感覺皮層的大鼠轉向控制方法需要電刺激感覺皮層與獎賞結合使用，通常需要較長時間的訓練才能穩定，且在整個大鼠機器人的使用過程中仍需要定期的強化。由于大鼠的感覺皮層中，BF對應的區域是相對較大，且感覺皮層中的神經元密度相對比較稀疏，直接通過單點的電刺激很難大范圍激活BF區域的神經元，因而單純的電刺激BF區域很難使大鼠產生明確的轉向行為變化。而通過提高電壓或電流的幅值來提高感覺皮層的激活范圍又存在較大的副作用，嚴重時可直接使大鼠出現全身或部分身體的抽搐，對大鼠的大腦造成終生電刺激損傷。因此電刺激感覺皮層控制大鼠轉向的方法仍然存在一定的不足之處。

在未來大鼠導航的實際應用中，導航這個任務只是一個平臺，大鼠一定會需要根據不同的應用學習一些新的技能，這些技能很可能需要通過訓練的方式實現。如果導航任務就占用了大量的訓練時間，必然縮小了動物機器人（大鼠）的應用范圍。另一方面，大鼠的學習能力是有限的，如果讓大鼠學習過多的東西，必然加大了動物機器人（大鼠）的實現難度。所以，開發一種新的不用訓練的控制動物機器人（大鼠）轉向的新方法十分有意義。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種基于丘腦電刺激控制動物機器人轉向的方法。

一種基于丘腦腹后中間核電刺激控制動物機器人轉向的方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）將兩個刺激電極分別埋置到動物機器人的兩側腹后中間核區域，將電刺激背包安裝到動物機器人上；

（2）通過上位機設置電刺激的波形參數，將所述波形參數無線傳輸到動物機器人背部的電刺激背包，由電刺激背包控制刺激電極對動物機器人進行電刺激，完成轉向。

本發明中由電刺激背包控制刺激電極對動物機器人進行電刺激應理解為刺激電極接收電刺激背包產生的電刺激信號在動物機器人腦內指定位置給予電刺激。

哺乳動物的丘腦負責大量的感覺信息的整合，哺乳動物的丘腦相對于感覺皮層來說要小得多，其內部的神經元密度也要大于感覺皮層。其中和哺乳動物體表感覺相關的丘腦亞核團包括丘腦后中間核（posterior?group，POM）、丘腦腹后中間核（Ventral?Posterior?Medial?Nucleus，VPM）和丘腦腹后外側核（Ventral?Posterior?Lateral?Nucleus，VPL）。其中，POM通過胼胝體把神經信號傳到兩側的大腦感覺皮層的區域；VPL區域的上傳神經也投射到大腦對側感覺皮層，但不同于VPM，VPL的投射區域主要負責身體對側的本體感覺、皮膚感覺等；VPM的上傳神經投射到對側的大腦感覺皮層，主要包括對側胡須和頭面部的感覺形成區域。因此，通過電刺激動物機器人丘腦的丘腦腹后中間核可以激活相應的丘腦-皮層投射回路，使動物機器人產生虛擬的感覺，從而完成轉向。