“动物机器人”是一类高度融合了动物智能和机器智能的新型动物-机器混合系统,具有重要的科学价值和广泛的应用前景,但目前仍处于起步阶段.未来,我们需要在多学科融合的基础上,引入创新性技术和创造性思维,突破和填补理论研究与工程应用之间的鸿沟.
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在数十亿年的生存竞争中,动物进化出精巧的运动机构/结构、高效的能量运用方式和敏捷的运动能力.如何巧妙地利用动物固有运动能力和神经系统,实现对生物运动行为的控制,是动物机器人的重要研究目标.这类特殊的机器人高度融合了动物智能和机器智能,涉及动物行为学、神经科学、微机电技术、力学和通信技术等,是多学科交叉融合的前沿领域.
进入21世纪以来,得益于脑科学已经取得的重要进展,动物机器人研究在科学推动的需求牵引下得到快速发展.各国学者分别以蟑螂、甲虫、鲨鱼、壁虎、鸽子、大鼠等动物为载体,实现了水、陆、空、全空域多种动物机器人的控制验证和初步行为调控,取得了许多引人注目的进展(图1),特别是美国国防高级研究局(DARPA)资助的“机器生命计划(ProjectRobo-life)”和“昆虫-微机电系统整合计划(HI-MEMSprogram)”等.
图1过去20年动物机器人的研究进展
但总体而言,目前动物机器人的研究仍处于实验室探索阶段,面向应用的研究尚需一定研究周期.在动物运动的神经调控机制与调控方法上,仍有不少科学问题尚待探索,在通信、导航、刺激器、能源供给及关键器件微型化等方面,仍需要大量投入和研制.为此,我们以动物行为调控技术的研究瓶颈为基础,结合实际应用需求,提出了动物机器人未来的研究框架(图2).
图2动物机器人的研究框架
01
运动行为的神经调控机制与方法研究
针对当前动物机器人的运动行为调控普遍存在运动行为不够精确、动作不够流畅、稳定性和可靠性欠佳等问题,我们需要进一步研究不同动物的脑功能图谱及运动行为调控的神经机制.
2)研究大脑对外部刺激的整合机制,将动物自身的运动意愿融合到控制策略中,增加对动物本身智能的理解与利用;
3)解析神经电信号的编码规律,建立多脑区(核团)协同刺激模式,提高运动行为调控的稳定性;
4)结合光/电刺激技术的优势,建立特异性的参数化调控指令,精准调控特定的运动行为.
02
刺激调控微系统设计
动物机器人的控制系统微型化和高度集成化将是未来必然的发展趋势.
1)深入研究柔性MEMS技术,设计低功耗、高可靠的集成刺激电路,生成多样化的运动调控指令,构建多模态闭环神经调控微系统;
2)采用基于SOC/SIP的微系统集成技术,将电路模块与控制系统模块集成,以实现刺激调控微系统硬件微型化;
3)采用高生物相容性和高可靠性系统封装技术,将微型控制装置植入动物载体体内,提高刺激调控系统的隐蔽性;
4)设计基于构建力-位-视觉多信息融合的手术机器人,实现高精度的微电极植入和器件埋植,缩短动物机器人的研制周期.
03
通信导航技术的应用与开发
对于面向实际应用的动物机器人,需要突破在通信距离、通信速率以及数据实时交互等方面的关键技术壁垒,实现场景信息与控制指令信号的交互传输.
1)开发集成具有定位精度高、通信距离远、数据实时传输的通信导航系统,实现动物机器人远距离实时调控,扩大其运动调控范围;
3)研究低耗能的无线组网技术,实现动物机器人的群组调控,建立跨物种协作框架.
04
自供电系统设计策略
1)研究无线能量耦合技术,让动物机器人在特定的场景内完成无线充电;
2)研究生物燃料电池,利用生物体内的酶促反应将生物化学能转化为电能,以满足可持续性供电的实际需求;
3)利用摩擦纳米发电技术,将动物运动过程中摩擦机械能转化为有效的电能并进行储存,以满足动物机器人的运动调控和机载设备的供电需求.
原文信息
方轲,梅皓,宋逸,等.动物机器人:研究基础、关键技术及发展预测.科学通报,2022,67:2535–2552,doi:10.1360/TB-2021-1314（“阅读原文”直达）