圖4：大壁虎運(yùn)動行為的調(diào)控

        運(yùn)動是所有動物賴以生存的基本能力。漫長的進(jìn)化和生存競爭使許多動物具有特殊的運(yùn)動本領(lǐng)，例如蜜蜂、蒼蠅、蜘蛛、蝗蟲、壁虎和某些甲蟲能在各種表面自如運(yùn)動。如果能夠?qū)崿F(xiàn)對這些具有特殊運(yùn)動能力的動物運(yùn)動有效控制，那么這些動物的特殊本領(lǐng)就會被人類加以利用，這將為社會帶來巨大利益。同時，隨著社會及經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人權(quán)、社會穩(wěn)定和公共安全受到更多的關(guān)注，這也要求提供更多的特殊能力的動物和機(jī)器人代替人完成人所不能、人所不敢和對人有危險的工作。近年來，隨著對神經(jīng)科學(xué)、分子生物學(xué)、復(fù)雜適用系統(tǒng)等領(lǐng)域的深入研究，極大地推動了以自然為基礎(chǔ)的人工智能機(jī)器人的發(fā)展。但是這些人工智能機(jī)器人跟真正的動物相比還有較大的差距，存在許多技術(shù)難題，如環(huán)境適應(yīng)性、目標(biāo)識別等，同時在運(yùn)動靈活性，能量利用率等方面跟動物相比也有差距。然而，這些能力在最簡單的生物體上都能實(shí)現(xiàn)，因此，越來越多的科學(xué)家認(rèn)識到實(shí)現(xiàn)對動物運(yùn)動的調(diào)控，開發(fā)人工智能跟動物智能相結(jié)合的生物機(jī)器人具有很高的可行性，同時該研究也可以促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)人們對中樞運(yùn)動調(diào)控的深入研究。目前，高級中樞是如何對運(yùn)動進(jìn)行調(diào)控，其調(diào)控相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)回路都仍是未知之謎。我們研究所對大壁虎運(yùn)動調(diào)控方面進(jìn)行了一些研究，并取得了一定的成績。

        一、國內(nèi)外研究背景

        1997年，Holzer（法國）和Isao（日本）研究蟑螂的生物控制技術(shù),將刺激電極安放在蟑螂的探須和尾須處，由計算機(jī)發(fā)出命令到蟑螂體上的刺激發(fā)生器，使其產(chǎn)生刺激電流，誘導(dǎo)蟑螂運(yùn)動。通過改變電刺激強(qiáng)度和電極安放位置，就可以得到蟑螂不同的運(yùn)動行為規(guī)律。掌握蟑螂的運(yùn)動行為規(guī)律后，科學(xué)家就可以通過電刺激的方式，再利用傳感器的實(shí)時信號反饋，實(shí)現(xiàn)對蟑螂運(yùn)動行為的控制（圖1）。美國紐約州立大學(xué)的Talwar博士領(lǐng)導(dǎo)的科研小組已成功實(shí)現(xiàn)了人工誘導(dǎo)大鼠的運(yùn)動。他們在大鼠腦內(nèi)植入3個刺激電極，分別位于大鼠兩側(cè)胡須感覺區(qū)和位于下丘腦視前外側(cè)區(qū)的“獎賞中樞”。大鼠經(jīng)訓(xùn)練之后，就能在遙控器的引導(dǎo)下，通過腦內(nèi)刺激，控制大鼠按照人預(yù)定的路線爬行。這些大鼠就可能用于需要現(xiàn)代機(jī)器人無法勝任的各種搜救任務(wù)中（圖2）。2005年，英國《每日郵報》報道，俄羅斯生物學(xué)家日前打造出了一種“海龜特工”（圖3）。將芯片植入海龜體內(nèi)，并用電極連接它的大腦，通過調(diào)節(jié)不同的振動頻率，便可指揮其左右轉(zhuǎn)、直行或止步，并爬到預(yù)定目的地。據(jù)稱，這種“海龜特工”可秘密執(zhí)行許多危險任務(wù)。

        南京航空航天大學(xué)仿生材料與結(jié)構(gòu)防護(hù)研究所選擇具有特殊運(yùn)動能力的大壁虎為研究對象。大壁虎，屬爬行類動物，產(chǎn)于我國廣西、云南、東南亞等地，體重大、運(yùn)動速度快、靈活、負(fù)重能力強(qiáng)，幾乎可以在任意表面迅速移動，因此有非常大的研究價值。我們在大壁虎腦內(nèi)運(yùn)動區(qū)埋入電極，通過刺激特異的核團(tuán)可以成功地調(diào)控壁虎運(yùn)動，如左右轉(zhuǎn)等（圖4）。同時，我們也開發(fā)出了無線刺激系統(tǒng)，用于壁虎運(yùn)動的無線調(diào)控。
        這些實(shí)驗(yàn)是通過特定的外加神經(jīng)干預(yù)信號，或者加以訓(xùn)練，從而影響動物決定的一種控制方式，打開了科學(xué)想象的大門。動物運(yùn)動的人工誘導(dǎo)需要生命、信息和機(jī)械科學(xué)的交叉，具有廣泛的實(shí)用性，而且有很強(qiáng)的優(yōu)勢和生命力。

        二、運(yùn)動調(diào)控的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)

        自然進(jìn)化賦予動物非常復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)，即使最簡單的動物的神經(jīng)系統(tǒng)仍然是當(dāng)今神經(jīng)科學(xué)的研究課題。腦是一個由許許多多神經(jīng)元組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，每個神經(jīng)元在它的樹突與胞體上有許許多多突觸。一個小的神經(jīng)元約有500多個突觸，一個大的錐體細(xì)胞可多達(dá)2萬個。神經(jīng)元之間的信號通過突觸來傳遞，每一個神經(jīng)元都受到其他許多神經(jīng)元的影響，同時也影響其他神經(jīng)元的活動。因此神經(jīng)系統(tǒng)是一個非線性、多層次的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，可以說人腦是宇宙最復(fù)雜的系統(tǒng)，也是宇宙最大的奧秘。
        動物的每一個動作都是腦內(nèi)與運(yùn)動相關(guān)神經(jīng)元活動的結(jié)果，這些神經(jīng)元活動的總和就是這個運(yùn)動系統(tǒng)發(fā)出的運(yùn)動命令。研究表明，大腦對運(yùn)動控制是等級性組織的，越復(fù)雜越由高級中樞來組織。在簡單水平上，感覺神經(jīng)元在脊髓內(nèi)與運(yùn)動神經(jīng)元形成突觸，來介導(dǎo)簡單反射，不需要高級中樞的參與。其次，脊髓和腦干的中間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)組成中樞模式發(fā)生器，來協(xié)調(diào)多個運(yùn)動群的相互作用。在這之上，在運(yùn)動皮層、小腦和基底神經(jīng)節(jié)中存在神經(jīng)元監(jiān)控這些低層次活動并產(chǎn)生新的運(yùn)動模式。運(yùn)動輸出是連續(xù)更新的并為反饋所調(diào)節(jié)。通過基底神經(jīng)節(jié)和小腦的負(fù)反饋和正反饋環(huán)路，對于皮層運(yùn)動程序的時序和協(xié)調(diào)都是至關(guān)重要的。運(yùn)動的平穩(wěn)性和精確性是通過改變起作用的運(yùn)動單位的數(shù)量和時序來實(shí)現(xiàn)的。
        腦在執(zhí)行某一高級功能時，并不是所有的腦區(qū)都參與其中。通常，只有一個或者幾個腦區(qū)很活躍，也就是說這些腦區(qū)參與對該任務(wù)的調(diào)控。因此，盡管神經(jīng)系統(tǒng)縱橫交錯，仍可以根據(jù)皮層中各部細(xì)胞和纖維的聯(lián)系，將腦分為若干區(qū)，反應(yīng)一定的心理功能。研究表明，每一個核團(tuán)、腦區(qū)都有其主要功能，例如有的腦區(qū)負(fù)責(zé)運(yùn)動調(diào)控，有的腦區(qū)與視覺相關(guān)等，這就給運(yùn)動調(diào)控提供了依據(jù)，找到與特定運(yùn)動相關(guān)的腦區(qū)是運(yùn)動調(diào)控的關(guān)鍵（圖5）。在腦內(nèi)，大部分信息是以生物電的形式來傳遞的，皮層中控制運(yùn)動區(qū)域的神經(jīng)元興奮并產(chǎn)生一定頻率的電脈沖，這個電脈沖通過神經(jīng)系統(tǒng)精確地傳導(dǎo)至特定的肌肉纖維。當(dāng)這些電脈沖到達(dá)神經(jīng)－肌肉突觸時，在肌纖維中產(chǎn)生終極電位，它的去極化將在肌纖維中產(chǎn)生一串動作電位，引起肌肉收縮，使肢體完成大腦所設(shè)定的動作。因此，通過外加特定的信號到相應(yīng)的腦區(qū)和核團(tuán)，就可以干預(yù)動物的運(yùn)動行為。

        三、動物運(yùn)動調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)

        動物運(yùn)動的調(diào)控涉及到多學(xué)科的交叉。要實(shí)現(xiàn)對動物的運(yùn)動調(diào)控必須考慮以下兩點(diǎn)：

        1. 運(yùn)動調(diào)控腦區(qū)的精確定位

        運(yùn)動調(diào)控腦區(qū)的精確定位是進(jìn)行動物運(yùn)動調(diào)控必須要解決的關(guān)鍵問題之一。神經(jīng)系統(tǒng)對運(yùn)動調(diào)控的分級結(jié)構(gòu)揭示運(yùn)動干預(yù)可以從不同的層次進(jìn)行。從外周神經(jīng)層次我們成功實(shí)現(xiàn)了在淺麻醉狀態(tài)下模擬神經(jīng)放電活動制導(dǎo)壁虎肢體活動。而對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)我們可以從脊髓也可以從腦這一高級中樞的層次進(jìn)行運(yùn)動干預(yù)。即便是從高級中樞，對動物的運(yùn)動干預(yù)也可以從不同的層次進(jìn)行。機(jī)器大鼠的運(yùn)動調(diào)控是利用了感覺反饋和獎賞機(jī)制，同時結(jié)合動物的條件反射進(jìn)行神經(jīng)刺激訓(xùn)練，通過周密的刺激訓(xùn)練建立起特定感覺與特定刺激信號的對應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動行為的控制。其外部人工指令的直接作用部位之一便是感覺皮層（大腦的高級中樞）。我們的初步研究表明，通過對大壁虎運(yùn)動相關(guān)腦區(qū)施以人工干預(yù)指令，可以誘導(dǎo)大壁虎做重復(fù)性較好的轉(zhuǎn)向運(yùn)動。如何找到運(yùn)動相關(guān)腦區(qū)，以及如何做到重復(fù)定位是運(yùn)動調(diào)控的關(guān)鍵。對要調(diào)控的腦區(qū)精確的空間定位，這需要借助精確適用的腦圖譜和精密的腦立體定位裝置來進(jìn)行。無論是對神經(jīng)電信號特征分析還是微電極的植入，確定并精確定位相關(guān)的神經(jīng)核團(tuán)是動物運(yùn)動調(diào)控關(guān)鍵性的一步。因?yàn)橹挥袦?zhǔn)確的空間定位，才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地神經(jīng)電信號特征分析，以便進(jìn)行神經(jīng)信息解碼，也才有可能將控制信號準(zhǔn)確的引入神經(jīng)系統(tǒng)，達(dá)到調(diào)控運(yùn)動的目的。我們現(xiàn)在已經(jīng)建立了大壁虎腦立體定位的方法和裝置，正在建立比較完全的用于指導(dǎo)大壁虎腦運(yùn)動功能實(shí)驗(yàn)的腦圖譜。

        2．調(diào)控信號的確定和導(dǎo)入

        調(diào)控信號的確定及其輸入是進(jìn)行運(yùn)動調(diào)控的關(guān)鍵之一。確定調(diào)控信號可以通過對中樞運(yùn)動相關(guān)特征信號進(jìn)行采集、分析、模擬并導(dǎo)入。但這并不一定就能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動干預(yù)，可能還要對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、優(yōu)化等；也可以直接根據(jù)神經(jīng)信號的特點(diǎn)進(jìn)行逐步優(yōu)化，找到更小、更靈敏的調(diào)控信號。其次，信號的輸入離不開實(shí)現(xiàn)運(yùn)動調(diào)控的直接接口——微電極。為了盡可能減少微電極植入對神經(jīng)組織的損傷，提高信號采集的信噪比，確保信號可靠、高保真地引入到既定的腦區(qū)，我們必須制作生物兼容性好、柔韌性合適、絕緣良好、耐腐蝕、穩(wěn)定性好的微電極。同時，為了實(shí)現(xiàn)長期高效地運(yùn)動控制，必須進(jìn)行微電極長期植入技術(shù)的研究。良好的微電極植入可以有效地減少對動物體的損傷，提高受控動物的存活時間，增加控制的可靠度和穩(wěn)定性。
        調(diào)控信號由微型多通道控制器發(fā)生并經(jīng)微電極系統(tǒng)導(dǎo)入受控對象的指定腦區(qū)。微型多通道控制器是有效控制生物機(jī)器人的核心部件。它不僅要工作可靠而且要求體積小、重量輕、能耗低、效率高、傳輸遠(yuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)可靠和較為精確的控制，該控制器應(yīng)能對各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時可調(diào)，以便能適應(yīng)個體差異的不同動物。
中樞神經(jīng)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其自身的信號同人工運(yùn)動干預(yù)信號是有相互影響的。億萬年的進(jìn)化造就的動物神經(jīng)系統(tǒng)是一個統(tǒng)一的精密網(wǎng)絡(luò)，不僅有其固有的工作模式，而且有著極強(qiáng)的可塑性。真正意義的運(yùn)動調(diào)控必然是不同工作環(huán)境下的可靠調(diào)控。所以，為使人工制導(dǎo)更容易、更可靠地實(shí)現(xiàn)，干擾刺激指令的有效性就顯得格外重要。

        四、動物運(yùn)動調(diào)控的未來

        隨著相關(guān)學(xué)科的不斷交叉、融合，通過對動物神經(jīng)系統(tǒng)可靠的運(yùn)動調(diào)控，必將促進(jìn)生物機(jī)器人的不斷發(fā)展。生物機(jī)器人與一般的工業(yè)機(jī)器人、仿生機(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)、MEMS技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(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)。根據(jù)目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，未來動物運(yùn)動調(diào)控的發(fā)展，我們認(rèn)為應(yīng)包括以下幾個方面。

        1．深入研究動物運(yùn)動控制的生物學(xué)基礎(chǔ)，提高動物運(yùn)動調(diào)控的精確性、穩(wěn)定性及重復(fù)性

        科學(xué)家們在動物運(yùn)動調(diào)控的研究過程中發(fā)現(xiàn)，在生物體內(nèi)植入電極后，即使生物可存活較長時間，但在多次重復(fù)刺激后，生物就會產(chǎn)生疲勞效應(yīng)和適應(yīng)性，這不利于執(zhí)行長線任務(wù)。例如，在蟑螂體內(nèi)植入電極后，控制蟑螂沿直線方向行走時，常常會在后期發(fā)生蟑螂走偏現(xiàn)象。另外，在控制老鼠運(yùn)動行為時，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，老鼠出于對危險的防范本能，在某種條件下，必須加大刺激強(qiáng)度，才能令老鼠實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)動行為；有時，即使加大刺激強(qiáng)度，也無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。這些事實(shí)表明，人們對生物運(yùn)動行為的機(jī)理了解得還不十分透徹，還需要進(jìn)一步探索生物運(yùn)動系統(tǒng)的神經(jīng)控制網(wǎng)絡(luò)，深入研究生物運(yùn)動的調(diào)控機(jī)理，以及神經(jīng)信息的時空編碼。神經(jīng)科學(xué)研究揭示，即使是最簡單的運(yùn)動行為也需要中樞神經(jīng)系統(tǒng)多個層次大量神經(jīng)元的同步活動。而應(yīng)用多通道記錄技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元群活動的同步跨腦區(qū)記錄，使得研究不同核團(tuán)在行為過程中的時間和空間聯(lián)系成為可能。神經(jīng)元活動的多電極同步記錄技術(shù)已成為研究神經(jīng)信息編碼機(jī)制的有效手段。通過對運(yùn)動神經(jīng)信息編碼規(guī)律的深入研究，必將有效提高動物運(yùn)動調(diào)控的精確性和穩(wěn)定性。

        2．加強(qiáng)多功能控制器的研發(fā)，提高運(yùn)動控制的可靠性

        受生物體態(tài)和生物負(fù)重能力的限制，控制生物運(yùn)動行為的微控制器有嚴(yán)格的尺寸和重量要求。同時，在制備和植入微電極時，不僅要求生物相容性好，還要求與組織接觸良好，而與周圍組織絕緣。在有限的設(shè)計空間內(nèi)，集信號發(fā)生器、傳感器、微型攝像機(jī)和電源等元器件于一體的生物微機(jī)電系統(tǒng)（BioMEMS）將是未來發(fā)展的方向。

        3．控制技術(shù)、軟件技術(shù)及傳感技術(shù)的發(fā)展

        可靠實(shí)現(xiàn)生物的運(yùn)動調(diào)控，需要多電極、多位點(diǎn)信號的同步或者時序輸入，這需要更復(fù)雜、更精確的軟件、硬件設(shè)計。同時，多道信號的優(yōu)化本身就是一個非常復(fù)雜的問題，這也將是未來研究的重點(diǎn)。未來的生物機(jī)器人需要安裝大量傳感器，包括用于收集、傳遞生物各類感覺(如視覺、觸覺等)的反饋信息的傳感器和生物在執(zhí)行特殊任務(wù)時攜帶的溫度傳感器、氣味傳感器等一些特殊用途的傳感器。目前市面上出售的傳感器精度還很不理想，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到動物的感覺精度，國外精度高的傳感器價格又非常昂貴。因此，發(fā)展傳感器技術(shù)是研制開發(fā)生物機(jī)器人的基礎(chǔ)。
        隨著生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，相信科學(xué)家會找到更有效的研究手段和控制策略，實(shí)現(xiàn)生物運(yùn)動行為的可靠調(diào)控。同時，這種研究也將加深人們對神經(jīng)系統(tǒng)的認(rèn)識，促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展。

作者簡介：
戴振東：
南京航空航天大學(xué)高新技術(shù)研究院仿生材料與結(jié)構(gòu)防護(hù)研究所所長、教授、博士生導(dǎo)師；
孫久榮：
北京大學(xué)生命科學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師；
王文波：
南京航空航天大學(xué)在讀博士；
譚   華：
南京航空航天大學(xué)高新技術(shù)研究院仿生材料與結(jié)構(gòu)防護(hù)研究所博士、講師。