基于BCI的生物机器人研究

论文摘要

生物机器人是指利用生物体的运动机能、动力供应体制，从生物运动的感受传入或神经支配入手，实现对生物的运动和某些行为的人为控制，从而利用生物特长代替人类完成人所不能和人所不敢的特殊任务。脑机交互技术(BCI)，研究的是如何通过非自然的方法沟通脑内信息和外界环境。它为大脑和环境提供了双向传输通道，外界信息能从生物传感器输入到神经系统，神经信号也可以用于控制外部电子机械装置。该项技术可以修复、改善甚至扩展神经系统原有功能，提供了一种崭新的信息交互模式。利用生物控制技术研制生物机器人始于上世纪90年代，是电子信息技术、微制造技术和生物科学高度发展与相互融合的产物，是目前科技发展最活跃的领域之一。通过研究生物机器人，利用动物自身的生物传感功能，获取动物的感觉，控制动物的行为，使动物在人类无法进入的地区有目的得完成寻找目标、定位等活动，大大降低在危险环境和战场中人类所面临的危险，在军事侦察、边境缉毒、救灾等领域都有广泛的用途。本文首先介绍了生物机器人和BCI技术的基本概念，重点讲解对基于BCI的生物机器人的研究的巨大意义和广泛的应用前景，对国内外在该领域的一些重要成果作了简单介绍。阐述了基于BCI的生物机器人的研究的基本原理和关键的技术，涉及到神经科学，传感器，植入式电极，无线遥控遥测等众多方面的内容。接着介绍了生物机器人研究对象的选择，以及对大鼠从饲养、筛选到训练等各个方面的做了相应的探索和实践。讨论了大鼠行为控制系统的基本原理和设计指导原则。提出了控制系统的基本架构，并介绍了刺激／采集器、通讯模块、控制台等各个系统子模块的实现。在此基础上，在生物机器人研究中应用行为控制系统，对大鼠进行的MFB和SI刺激实验，并介绍了实验结果，论证行为控制系统的可靠性和MFB及SI刺激的可行性。最后，对全文的工作进行总结，并提出进一步研究的方向：开发无线自动导航系统、加强无线通讯模块和在康复工程方面的应用试验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 生物机器人概述
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 基于BCI的生物机器人的研究意义及应用
• 1.3.1 基于BCI的生物机器人的研究意义
• 1.3.2 基于BCI的生物机器人的广泛应用
• 1.4 论文的研究背景和内容
• 1.4.1 论文研究背景
• 1.4.2 本文的内容
• 第2章 基于BCI的生物机器人原理及相关技术
• 2.1 BCI系统的原理与组成
• 2.1.1 BCI技术
• 2.1.2 BCI系统的基本结构
• 2.1.3 基于BCI的生物机器人的基本原理
• 2.2 基于BCI生物机器人研究的相关技术
• 2.2.1 生物传感器技术
• 2.2.2 植入式电极
• 2.2.3 神经信号处理技术
• 2.2.4 脑区结构的认识
• 2.2.5 无线遥控技术
• 2.3 本章小结
• 第3章 大鼠训练模型的研究
• 3.1 生物对象的选择
• 3.1.1 人还是动物
• 3.1.2 动物对象的选择
• 3.2 动物行为训练的原理
• 3.2.1 释放行为的刺激阈值和空放行为
• 3.2.2 欲求行为和完成行为
• 3.3 SD大鼠的饲养
• 3.3.1 饲养环境
• 3.3.2 饲料和饮水
• 3.3.3 垫料
• 3.3.4 卫生消毒措施
• 3.4 行为训练筛选
• 3.4.1 迷宫学习模型
• 3.4.2 八臂迷宫训练
• 3.5 微电极的埋植
• 3.5.1 埋植手术的工具
• 3.5.2 埋植手术及术后的恢复
• 3.6 MFB筛选
• 3.6.1 MFB筛选的原理
• 3.6.2 压杆箱的设计
• 3.6.3 MFB压杆箱筛选实验
• 3.7 导向行为训练
• 3.7.1 导向行为训练的原理
• 3.7.2 导向行为训练实施
• 3.8 本章小结
• 第4章 大鼠行为控制系统
• 4.1 大鼠行为控制系统的原理及组成
• 4.1.1 原理
• 4.1.2 系统组成
• 4.1.3 系统的设计原则
• 4.2 系统的实现
• 4.2.1 刺激/采集器
• 4.2.2 无线通讯设备
• 4.2.3 控制台
• 4.3 本章小结
• 第5章 大鼠行为控制系统的应用
• 5.1 MFB和SI刺激的初步训练
• 5.2 MFB刺激奖励效果实验
• 5.3 SI刺激大鼠行为控制实验
• 5.4 实验总结
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文的总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果
• 致谢