[發明專利]動物群體協同行為的便攜式神經調控系統

在審

• 申請號: 201710249444.2
• 申請日: 2017-04-17
• 公開（公告）號: CN106861043A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 尚志剛;萬紅;盧俊杉;劉新玉;趙坤;王宏昌
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: A61N1/36
• 分類號: A61N1/36;A61N1/372
• 代理公司: 鄭州異開專利事務所(普通合伙)41114
• 代理人: 韓華

技術領域

本發明涉及群體生物學系統、智能控制、腦科學及動物行為的神經生物學領域，尤其是涉及動物群體協同行為的神經調控系統。

背景技術

自然界動物群體中，單個個體的能力有限，但它們在群體交互作用中卻能呈現出作為整體的群體智能特性，能夠協同完成艱巨任務。與對單個動物行為的簡單局部規則研究相比，對動物群體的研究則是協調的全局行為研究。研究動物群體行為機制和規律對理解自然生物中的復雜現象具有重要意義，另外這種生物學系統的研究能夠啟發工程學群體系統（大規模機器人群體、無人機群等）的研究。

近年來，蜂群、鳥群、魚群等動物的群體運動行為（即蜂擁行為）引起越來越多的關注。研究人員對蜂擁行為中“碰撞規避、速度匹配和相互聚集”規則進行了大量研究。但是目前因缺乏直接獲取動物群體行為數據的有效手段，這些研究還停留在模擬建模層面。隨著腦科學與腦機接口的飛速發展，現有技術已經能夠實現對動物行為的調控，但是這些對動物行為的調控僅僅是對單個動物個體的調控，無法做到對多個動物行為進行同步調控，缺乏有效的手段用來人為的對動物群體進行調控。

通過對動物進行微電流刺激從而控制群體的運動行為，能夠為蜂擁行為究及建模提供新的手段。從群體的角度探究動物行為，控制動物群體進行協同工作，提高任務執行效率，為動物群體的蜂擁行為建模、圍捕行為建模及編隊控制等研究提供基礎，也為后期開展腦腦交互研究提供一個思路，為同步解析不同動物個體腦電信號差異提供前提條件。因此，迫切需要研制一種能夠同時調控多個動物行為的系統。

發明內容

本發明目的一方面在于提供一種動物群體協同行為的便攜式神經調控系統，從全局的層面對受試動物群體行為的機制和規律進行研究。另一方面提出了一種對多個受試動物行為同步進行神經調控的手段，實驗員可以同時控制多只受試動物做出不同的運動行為，從而實現對受試動物群體的控制。

為實現上述目的，本發明采取下述技術方案：

本發明所述動物群體協同行為的便攜式神經調控系統，包括用戶控制端和指令發射器構成的指令發射單元、多個穿戴式多通道動物行為神經調控器；

所述用戶控制端，用于實驗員通過控制界面發送控制指令同步控制多個動物行為神經調控器；

所述用戶控制端包含刺激通道選擇模塊、刺激參數調節模塊、動物目標組調控模塊、實驗方案管理模塊、實驗記錄模塊、目標反饋模塊；

所述指令發射器，用于同步控制多個所述動物行為神經調控器，指令發射模塊含有第一微控制器和第一無線通信模塊；

所述動物行為神經調控器，用于穿戴在每個受試動物身上，每個動物行為神經調控器包含第二無線通信模塊、第二微控制器、微電流刺激模塊、GPS定位模塊、環境感知模塊及數據存儲模塊；

所述微電流刺激模塊，用于產生類似于神經電信號的恒流微小電刺激，用于作用于受試動物腦區；

所述動物行為神經調控器具有四個獨立的刺激通道，不同的刺激通道用于作用于受試動物不同的腦區，從而控制動物不同的運動行為；

所述GPS定位模塊，用于定位受試動物的地理位置；

所述環境感知模塊，用于獲取受試動物周圍的溫度濕度等信息；

所述數據存儲模塊，用于存儲動物的GPS數據及環境數據；

所述刺激通道選擇模塊，用來調控動物行為神經調控器產生微電流刺激的通道；

所述刺激參數調節模塊，用來設置微電流刺激脈沖的脈沖長度、頻率、占空比、脈沖間隔、脈串數、刺激電流值；

所述動物目標組調控模塊，用來選擇要控制的目標動物組合；

所述實驗方案管理模塊，用來管理實驗方案，預先設定多種實驗方案，實驗時直接選擇各方案即可；

所述實驗記錄模塊，用來顯示發送的控制指令并在后臺記錄整個實驗過程中各個調控參數；

所述目標環境反饋模塊，用來顯示目標的位置信息及周圍環境信息。

動物腦區；所述恒流微小電刺激參數調控范圍為：刺激通道1-4個，脈沖頻率25Hz-10000Hz；占空比1%-50%，雙向脈沖寬度1us-20000us，脈沖串數0-255個，每個脈沖串中的脈沖個數0-255個，脈沖串間隔100ms-25s，微電流強度0-400uA。

所述目標環境反饋顯示目標的位置信息及周圍環境信息；用戶控制端接收到目標的GPS數據及環境數據，實驗員根據這些數據實時監測各個受試動物，并不斷調整刺激參數，從而形成閉環調控系統，動態地控制受試動物群體進行協同工作。