生物機(jī)器人綜述

1、科技寫作 學(xué)院（系）： 醫(yī)療器械與食品學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 生物醫(yī)學(xué)工程 學(xué)生姓名： 朱安陽(yáng) 學(xué) 號(hào)： 152631974 指導(dǎo)教師： 袁敏 摘要20世紀(jì)60年代以來，隨著仿生技術(shù)、控制技術(shù)和制造技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)代仿生學(xué)和機(jī)器人科學(xué)相結(jié)合，在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生以及群體仿生等多個(gè)方面取得了大量可喜成果和積極進(jìn)展。然而，伴隨著人類醫(yī)療診斷、探索太空、建設(shè)航天站、開發(fā)海洋、軍事作戰(zhàn)與反恐偵察等任務(wù)和需求的增加，人們對(duì)機(jī)器人的性能也提出了更高的要求，于是生物機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。生物機(jī)器人就是完完全全和我們?nèi)祟愐粯?，用有生命的材料?gòu)成的而不是用金屬材料構(gòu)成的機(jī)器人。它們是利用自然界

2、中的動(dòng)物作為運(yùn)動(dòng)本體的機(jī)器人，通過把微電極植入與動(dòng)物運(yùn)動(dòng)相關(guān)的腦核團(tuán)或者方向感受區(qū)，并施加人工模擬的神經(jīng)電信號(hào)，從而達(dá)到控制動(dòng)物運(yùn)動(dòng)，利用動(dòng)物特長(zhǎng)代替人類完成人所不能和人所不敢的特殊任務(wù)。 與傳統(tǒng)的仿生機(jī)器人相比，生物機(jī)器人在能源供給、運(yùn)動(dòng)靈活性、隱蔽性、機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用在海洋開發(fā)、探索太空、反恐偵查、危險(xiǎn)環(huán)境搜救以及狹小空間檢測(cè)等各方面。近年來對(duì)生物運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)物機(jī)器人的研究受到更多的重視。本文主要對(duì)對(duì)國(guó)內(nèi)外生物機(jī)器人的研制工作做了綜述，并介紹其應(yīng)用前景及對(duì)其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：生物機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)；神經(jīng)控制；研究現(xiàn)狀；發(fā)展方向1.課題的研究現(xiàn)狀自20

3、世紀(jì)90年代開始，生物機(jī)器人的研究歷史僅有短短的10年，然而這短短十年又是生物機(jī)器人研究成果豐碩的十年，各國(guó)科研人員都相繼開展了動(dòng)物機(jī)器人的研究工作，尤其是美國(guó)，日本等科技發(fā)達(dá)國(guó)家，它們的研究成果代表著這一領(lǐng)域的最高水平，國(guó)在這一領(lǐng)域的研究尚在起步階段，但也已有了不俗的進(jìn)展。1.1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀在國(guó)外，美國(guó)、日本以及歐盟較早地開始了納米生物機(jī)器人的研究。納米生物機(jī)器人的組件可以是單個(gè)的原子或分子，但利用自然界存在的、具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原子團(tuán)或分子的集合分子功能器件組裝納米機(jī)器人，更加高效和現(xiàn)實(shí)可行，即按照分子仿生學(xué)原理，利用大量存在的天然分子功能器件設(shè)計(jì)、組裝納米生物機(jī)器人。美國(guó) 2000

4、年開始了國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃，國(guó)家衛(wèi)生研究院(NIH)和國(guó)家癌癥研究所(NIC)于2002年開展了DNA分子馬達(dá)的研究。NASA高級(jí)概念研究院(NIAC)和Rutgers大學(xué)在2002年提出了納米生物機(jī)器人研究50年發(fā)展規(guī)劃；2002年日本Osaka大學(xué)啟動(dòng)了生命科學(xué)前沿研究計(jì)劃，其中包括 ATP馬達(dá)的研究；歐盟2002年正式推出了研究納米技術(shù)的第6框架計(jì)劃，其中納米生物技術(shù)的研究重點(diǎn)為生物分子或復(fù)合物的處理、操縱和探測(cè)。圖 11 昆蟲機(jī)器人2007年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)啟動(dòng)了昆蟲微機(jī)電系統(tǒng)整合計(jì)劃，旨在將微機(jī)電系統(tǒng)植入處于變態(tài)發(fā)育階段的昆蟲體內(nèi),從而將昆蟲改造成為可以遠(yuǎn)程控制

5、的“昆蟲偵察兵”(圖1-1)。其目標(biāo)是造出至少能飛離控制器100m，在追蹤目標(biāo)5m范圍內(nèi)停留的半機(jī)器昆蟲。2008年，康奈爾大學(xué)和的研究人員運(yùn)用昆蟲變態(tài)發(fā)育早期植入技術(shù)，首次將MEMS件植入煙草天蛾的蛹體內(nèi)破繭7天前，待其發(fā)育成健康的成體飛蛾后，研究人員通過植入飛蛾體內(nèi)的MEMS芯片6對(duì)控制飛行的肌肉發(fā)放刺激信號(hào)，成功實(shí)現(xiàn)了飛蛾翅膀扇動(dòng)及飛行方向的控制。另外由加利福尼亞大學(xué)科學(xué)家主持的科研小組已成功把電極分別植入六月鰓角綠金龜控制飛行的神經(jīng)中樞和肌肉內(nèi)對(duì)神經(jīng)進(jìn)行刺激，負(fù)脈沖使它不斷拍動(dòng)翅膀飛離原地；而正刺激脈沖則使它短時(shí)間內(nèi)停止飛行，通過迅速變換信號(hào)控制昆蟲起落。09年初美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校

6、的研究人員成功進(jìn)行了對(duì)犀牛甲蟲的遙控實(shí)驗(yàn)，并在意大利索倫托舉行的“MEMS2009”學(xué)會(huì)上公開了犀牛甲蟲的遙控視頻。研究人員將微型神經(jīng)和肌肉刺激系統(tǒng)植入犀牛甲蟲,在遙控狀態(tài)下成功的控制了甲蟲起飛、飛翔、轉(zhuǎn)向和降落。圖 12 鯊魚機(jī)器人美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA)正在進(jìn)行將各種動(dòng)物變成遙控間諜的“機(jī)器生命計(jì)劃 ”。2006年，中國(guó)國(guó)防報(bào)報(bào)道，美國(guó)羅得島州紐波特市美國(guó)海軍海戰(zhàn)中心(Naval Undersea Warfare Center，NUWC)在DARPA的資助下，正進(jìn)行“鯊魚特工 ”(圖1-2)的研究計(jì)劃：通過植入鯊魚大腦的微電極對(duì)鯊魚中樞神經(jīng)系統(tǒng)的某些特定部位進(jìn)行刺激來遙控鯊

7、魚的行為，將鯊魚變成動(dòng)物機(jī)器人，以遠(yuǎn)距離指揮鯊魚秘密跟蹤刺探敵方船只的運(yùn)動(dòng)，完成各種危險(xiǎn)的間諜任務(wù)。目前，美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心已開發(fā)出一種目的在于通過神經(jīng)植入進(jìn)行動(dòng)物行為控制的電子標(biāo)簽。這種電子標(biāo)簽包含一個(gè)多通道神經(jīng)記錄和刺激裝置，可用于遙控鯊魚的研究，由于無線電信號(hào)不能在水下傳播，科研人員計(jì)劃采用聲吶進(jìn)行控制?？刂普邚暮＼娐暡ㄐ盘?hào)塔發(fā)射出定向聲吶，對(duì)鯊魚行動(dòng)進(jìn)行控制。動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程中除接受肌梭、腱器官等運(yùn)動(dòng)覺傳入進(jìn)行反饋性調(diào)節(jié)，還需要綜合其它包括視覺、聽覺和觸覺等感受器的傳入信息來進(jìn)行調(diào)控。常見的蟑螂和蒼蠅頭部的觸須、老鼠和貓嘴角兩側(cè)的胡須都是它們重要的觸覺感受器，決定著這些動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方向。日

8、本東京大學(xué)Isao Shimoyama教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在 1997年研制出蟑螂機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了蟑螂直線前進(jìn)的人工控制(圖1-3)。首先利用軌跡球計(jì)算機(jī)裝置(圖1-4)，獲得了電刺激蟑螂觸角傳入神經(jīng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的合適刺激參數(shù)；然后，實(shí)驗(yàn)人員去除蟑螂翅膀和頭上的觸須，在觸角(觸覺感受器)處植入金屬微電極，通過遙控刺激器并結(jié)合光學(xué)傳感器的反饋，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)，初步實(shí)現(xiàn)了控制蟑螂沿直線前進(jìn)。此后，研究人員又進(jìn)一步減輕遙控刺激器的重量，基本可以實(shí)現(xiàn)蟑螂的左右轉(zhuǎn)，前移或者后退等運(yùn)動(dòng)的人工控制。圖1-3 蟑螂機(jī)器人 圖1-4 軌跡球裝置 1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)，上海交通大學(xué) DNA 計(jì)算機(jī)交叉團(tuán)隊(duì)是目前國(guó)

9、內(nèi)唯一從事納米生物機(jī)器人研究的交叉科研團(tuán)體，并提出了基于病毒的納米生物機(jī)。上海交通大學(xué)DNA計(jì)算機(jī)交叉團(tuán)隊(duì)(BDCC)納米生物機(jī)器人小組，利用自然界廣泛存在的生物分子部件及其特性，結(jié)合機(jī)器人概念和特點(diǎn)，首次提出了通過直接改造病毒來構(gòu)造納米生物機(jī)器人的設(shè)想，從而開展以下方面的研究：通過改造病毒基因組及對(duì)病毒表面糖蛋白進(jìn)行修飾，使基于病毒的納米生物機(jī)器人可以對(duì)病變細(xì)胞進(jìn)行識(shí)別和治療，并通過內(nèi)部修飾使基于病毒的機(jī)器人有條件地進(jìn)行復(fù)制繁殖；通過控制病毒周圍生理環(huán)境，如PH值、溫度、離子濃度等，利用病毒的門控呼吸模型機(jī)制將病毒改造為定點(diǎn)給藥機(jī)器人系統(tǒng)(DDS)，殺死病變細(xì)胞；通過對(duì)病毒復(fù)制過程進(jìn)行研究和

10、描述，綜合相關(guān)環(huán)境變量、條件變量和狀態(tài)變量，建立納米生物機(jī)器人的自復(fù)制模型；對(duì)病毒結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性進(jìn)行分析，對(duì)基于病毒的納米生物機(jī)器人在微流體環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行研究，同時(shí)進(jìn)行病毒侵染宿主細(xì)胞時(shí)蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的動(dòng)力學(xué)研究；另外，利用生物分子部件的生物兼容性及DNA的互補(bǔ)裝配特性，開展DNA計(jì)算機(jī)與納米生物機(jī)器人接口的研究，目標(biāo)是將BDCC研制的DNA計(jì)算機(jī)移植到基于病毒的納米生物機(jī)器人中，對(duì)人體細(xì)胞內(nèi)生理信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)真正具有控制芯片的納米生物機(jī)器人系統(tǒng)?；咨窠?jīng)節(jié)是大腦皮層下一些神經(jīng)核團(tuán)的總稱，是大腦皮層下的一個(gè)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)中樞，其主要結(jié)構(gòu)是紋狀體。鳥類的紋狀體高度發(fā)達(dá)，是其最高級(jí)的運(yùn)動(dòng)

11、中樞。2007年，山東科技大學(xué)完成了鴿子機(jī)器人(圖1-5)的研制。他們用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生具有一定規(guī)律的電信號(hào)編碼，通過植入家鴿丘腦的腹后外側(cè)核和古紋狀體內(nèi)的數(shù)根微電極，施加人工干預(yù)控制指令，使家鴿在人工誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)了起飛、盤旋、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)等特定動(dòng)作。 圖1-5 鴿子機(jī)器人腦干的許多核團(tuán)和腦區(qū)具有重要的運(yùn)動(dòng)調(diào)控功能。電刺激腦干不同區(qū)域可以誘發(fā)動(dòng)物的攻擊，防衛(wèi)，轉(zhuǎn)圈和逃跑等運(yùn)動(dòng)行為。南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所作為國(guó)內(nèi)較早開展動(dòng)物機(jī)器人研究的單位之一。研究人員以大壁虎為研究對(duì)象，利用自制大壁虎的腦立體定位儀系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)電刺激中腦可以誘導(dǎo)大壁虎的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng) (圖1-6)，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明,通過

12、刺激中腦內(nèi)相關(guān)的核團(tuán)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大壁虎轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的誘導(dǎo)。以此為基礎(chǔ)，近期研究人員還在通道中成功實(shí)現(xiàn)了大壁虎八字形運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)。圖 1-6 植入電極的大壁 2.生物機(jī)器人的前景21世紀(jì)將是一個(gè)生物機(jī)器人迅猛發(fā)展的世紀(jì)。生物機(jī)器人不但可以提高工人的生產(chǎn)效率，還可以代替人類從事乏味、勞累和危險(xiǎn)的工作，甚至完成人類所不能勝任的工作，因而日益受到人們的重視。隨著人類探索太空、建設(shè)航天站、開發(fā)海洋、軍事作戰(zhàn)與反恐偵察等任務(wù)和需求的增加，人們對(duì)機(jī)器人的性能提出了更高的要求。 安全保衛(wèi)方面的需求。目前針對(duì)非常重要人員的安全保衛(wèi)，需要對(duì)其活動(dòng)的場(chǎng)所及其周邊的各種可能通道做出檢查。其中狹小空間的檢測(cè)多數(shù)選用身材瘦小的偵察

13、員來完成。這種方法對(duì)人員素質(zhì)要求高、而且工作環(huán)境惡劣、效率低。而生物器人體形小，速度快，可以方便地代替人類完成狹小空間（如大樓管道系統(tǒng)、中央空調(diào)的管道系統(tǒng)等）偵查任務(wù)。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)功能障礙的康復(fù)手段，都需要病人有一定程度的自主運(yùn)動(dòng)控制能力，因此，對(duì)那些完全癱瘓的病人是不適用的?，F(xiàn)在如果采用腦機(jī)接口技術(shù)，即利用人腦信號(hào)直接控制外部設(shè)備， 就可以幫助神經(jīng)肌肉系統(tǒng)癱瘓的病人實(shí)現(xiàn)與外界的交流（如環(huán)境控制、輪椅控制、操作計(jì)算機(jī)等）。這種技術(shù)還可以用于控制康復(fù)機(jī)器人，幫助運(yùn)動(dòng)障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。另外，對(duì)復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境（如倒塌建筑物內(nèi)）的搜救，目前廣泛使用搜救狗、機(jī)器蛇和光纖軟管。與之對(duì)比，生物機(jī)器人能夠在各

14、種幾何表面和更加狹小的空間實(shí)現(xiàn)無障礙運(yùn)動(dòng)，速度快，成效顯著。3.總結(jié)從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，動(dòng)物機(jī)器人的研究對(duì)象正不斷增加：從無脊椎動(dòng)物(各種昆蟲，如蟑螂) 到脊椎動(dòng)物，從低等脊椎動(dòng)物(如軟骨魚類：白斑，角鯊)到兩棲類(海龜)和爬行動(dòng)物(大壁虎)，從鳥類(鴿子)到高等哺乳動(dòng)物(小白鼠、大白鼠)，其研究對(duì)象幾乎遍布生物進(jìn)化的各個(gè)不同階段。同時(shí)，控制生物的方法、手段也不盡相同，并伴隨不同學(xué)科、技術(shù)的融合而不斷發(fā)展?？刂茝挠芯€到無線，從單純的神經(jīng)肌肉刺激誘導(dǎo)，到利用獎(jiǎng)賞機(jī)制結(jié)合腦內(nèi)電刺激進(jìn)行的刺激誘導(dǎo)；以及利用黑箱原理，通過對(duì)動(dòng)物在某一特定行為中相關(guān)控制中樞的神經(jīng)信號(hào)提取，經(jīng)分析、解碼，然后用計(jì)

15、算機(jī)模擬重構(gòu)神經(jīng)電信號(hào)，再通過適當(dāng)接口(腦機(jī)接口)引入動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)。動(dòng)物機(jī)器人正由起初的基本可控向著更可靠、更精細(xì)的方向不斷前進(jìn)，并進(jìn)一步深化人們對(duì)動(dòng)物腦部運(yùn)動(dòng)等行為控制的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)腦功能研究的發(fā)展。近年來，隨著神經(jīng)科學(xué)、分子生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、微電子技術(shù)等的迅猛發(fā)展，這些看似毫不相關(guān)的學(xué)科，已經(jīng)并正在迅猛地發(fā)生著交叉融合，極大地推動(dòng)了以自然為基礎(chǔ)的生物機(jī)器人的發(fā)展。但是這些仿生機(jī)器人跟真正的動(dòng)物相比還有較大的差距，其在運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、靈活性、健壯性、環(huán)境適應(yīng)性及能源利用率等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于動(dòng)物，電源容量成為限制機(jī)器人工作時(shí)間的瓶頸，且難于在短時(shí)間內(nèi)獲得大幅度改善。生物機(jī)器人與一般的

16、工業(yè)機(jī)器人，生物機(jī)器人相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)和它們無法比擬的優(yōu)越性，但是由于受到生物學(xué) ，神經(jīng)學(xué) ，控制技術(shù) ，通訊技術(shù)，傳感技術(shù)以及數(shù)學(xué)方法等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的制約，至今基本上仍處于實(shí)驗(yàn)室研制的階段。尤其是在克服生物疲勞性，適應(yīng)性以及可靠實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)行為等方面還不是十分理想，離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段距離。此外生物機(jī)器人也不應(yīng)僅局限于控制生物的運(yùn)動(dòng)行為，還應(yīng)該研究如何通過生物的視覺 ，觸覺和聽覺來為人類服務(wù)。4.參考文獻(xiàn) 1 Arabi K Sawan M ,. Implantable multiprogrammable microstimulator dedicated to bladder c

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