昆虫机器混合系统:从自由状态控制到自主智能调控

以昆虫作为载体,采用光/电等外部调控手段对其运动行为进行干预或控制,实现可静态预设或动态控制的昆虫机器混合系统,也被称作昆虫机器人.这类微型动物机器人在运动稳定性、环境适应性、隐蔽性等方面拥有天然的优势,在搜救侦查、科学研究等众多领域具有重要的应用价值.随着神经科学、微机电系统、人工智能等研究领域的快速发展,昆虫机器混合系统研究正从自由状态控制发展至自主智能调控阶段.本文回顾了昆虫机器人在受控运动模式、可控动作类型、达成控制任务等方面的研究现状,总结了昆虫机器混合系统研究框架,评述了基于不同调控原理实现的典型昆虫机器混合系统研究进展.在此基础上,分析了昆虫机器混合系统在神经调控机制、微型控制系统、刺激技术及方法、智能控制系统等研究中面临的困难、存在的问题,预测了未来的发展趋势.     

运动仿生的前沿:从感知到运动

正运动仿生是动物行为学和机器人学交叉的新领域,是仿生科学与工程的重要分支,其内涵包括揭示动物运动的机构结构、感知控制和行为规律,指导仿生机器人的设计.运动是动物的基本行为属性,也是仿生智能机器人等人造系统的重要特征之一.运动是动物对外部环境和内部状态变化的一种行为反应,该行为涉及到动物的环境感知、信息整合、运动指令产生、肌群驱动、关节运动、肢体与外界的相     

大壁虎脚趾运动和感觉的分区分级调控

近年来, 爬壁机器人是机器人领域研究和开发的一个热点课题. 大壁虎是研究爬墙机器人的理想模型. 在仿壁虎机器人的研制过程中, 脚掌(趾)的设计是关键技术之一. 采用高速摄像和电生理学方法, 观测了大壁虎前、后脚在不同界面爬行时不同的运动模式; 研究了5个脚趾的黏-脱附运动及其感觉信息传入的神经支配; 发现了5个脚趾运动和感觉功能的不同分区, 黏附和脱附行为及其感受传入的分级调控现象. 这些结果为当前仿壁虎机器人, 以及其他4足和多足机器人脚掌(趾)的结构和运动控制系统的设计提供重要的信息和理念.     

仿人机器人双臂/躯干运动规划研究

<正>仿人机器人是具有类人的外貌特征和运动功能的一种先进智能体,是未来家用化机器人的主流发展方向,其研究的重点之一就是如何模仿人类行为的同时提高系统运动的稳定性.最近的一项研究从机器人系统的角度出发,研究上、下肢的运动协调问题,上身运动对整个身体运动模式的影响,以及如何设计上身的运动使得既能模仿人类的行为又能提高系统的运动稳定性.     

软体机器人的仿生物理智能

生物可以在各种非结构化自然环境中生存,其身体中所蕴含的物理智能至关重要,涉及材料、结构和形态等要素.通过融合仿生物理智能,有望降低软体机器人的控制成本,提高机器人系统的响应速度和极端环境下的鲁棒性,以及使微型机器人更加智能化.本文阐述了自然界生物的材料、结构、形态学物理智能特征及其原理,介绍了软体机器人实现仿生物理智能的目的及相关的关键技术与方法,列举了软体机器人仿生物理智能的典型应用,最后展望了软体机器人仿生物理智能的未来发展及挑战.软体机器人仿生物理智能有望在高速动态作业、极端环境探索及微型机器人智能化等方面发挥独特的优势,相关研究将进一步促进生物、机器人、材料、化学和计算机学科之间的交叉.     

小动物PET 在神经科学研究中的应用

小动物PET 是动物实验中不可或缺的一种显像模式,被广泛应用于生命科学、医学等多个领域. 本文介绍了近年来小动物PET 应用于神经科学研究的进展,从代谢显像、血流显像、受体显像和基因显像等4 个方面出发,阐述了小动物PET 在这些领域的应用,以及它体现出来的优势与不足. 面对小动物PET 应用的不断拓展对其仪器性能提出的更高要求,以应用为导向、将探测器系统设计与图像重建算紧密结合的小动物PET 系统设计思路将成为未来的趋势.     

虎纹捕鸟蛛水平面运动行为

动物运动行为的研究对运动学的分析以及仿生机器人的研制有着重要意义. 运用动物运动行为观测系统获取了虎纹捕鸟蛛(Ornithoctonus huwena)水平面直线运动的运动学信息,如步足的运动状态、质心的运动和步足各关节转动角度的变化等信息. 结果表明: 虎纹捕鸟蛛以一侧的步足1 和3 与对侧的步足2 和4 为一组运动相, 两组运动相在运动中相互交替运动相位. 运动速度的提高主要依靠于步频的提高来实现, 并且运动稳定性优于昆虫. 质心的速度和高度周期波动, 步足相位交替时质心的高度和速度均较高, 稳定运动状态下质心的高度和速度均较低. 步足4 偏向角的变化最小, 有利于对身体的驱动; 由于步足1 的探寻功能使得运动中其各关节转动角度的变化不定. 上述结果对仿生机器人的设计和步态规划有所启示.     

纳米机器人在靶向药物递送系统中的研究进展

纳米机器人技术在靶向药物递送领域的应用是纳米科学、生物医学、机械工程、力学、电子工程、信息与通信等多学科交叉融合的产物.由于体积小、可自主运动和精确操控,纳米机器人在精准治疗和纳米诊断等生物医学领域展示出巨大的发展潜力.本文从认识纳米机器人技术及靶向药物递送应用需求出发,简单回顾了靶向药物递送技术的发展历程,结合纳米机器人的类型、制造方式以及驱动方式,综述了国内外在靶向药物递送应用领域纳米机器人的研究进展.最后,梳理了纳米机器人在靶向药物递送应用研究中的重点方向,为我国未来的纳米机器人技术研究提供参考.     

编者按

心理学的终极目标是要理解人的意识起源及其生物学基础,这首先要从研究人类行为出发.认知神经科学的兴起和发展反映了认知心理学和神经科学的交叉融合的趋势,它以理解人类的信息加工过程为核心,包括感知觉、注意与意识、学习与记忆、语言、情绪以及决策等,是一门探讨心理是如何被组织而产生意识和智能以及这些过程是如何在脑中实现的学科.对人类行为的研究,离不开各种技术手段的发展.在过去20多年里,脑科学、     

螽斯听觉Ω神经元的结构与功能

声通信是动物和人类的一种重要通信方式。直翅目昆虫能产生种属专一的鸣声,并主要靠声信号实现多种行为活动,如引诱配偶、攻击及警报等。因此,昆虫听觉神经系统对声信号的接收、特征抽提与加工,和不同鸣声的辨识及理解等,已成为当前听觉神经科学中一项颇     

关心农场动物

作为一门新兴的学科,动物保护已不仅限于常识的范围,它是动物学、生态学、畜牧学、动物行为学、兽医学、公共卫生学等多门学科的交叉,同时还涉及法学、伦理学及社会学等领域,是正在发展中的一门科学.     

封面说明

<正>动物在受到外界的干扰如冲击、刺激等,可以实时地调整运动模式来平衡外界的扰动以保持运动的平稳性.以短腿直立动物大鼠(Rattus norregicus)为研究对象,用单摆分别冲击大鼠的胸外侧和腹外侧,由高速摄像机和三维运动反力测试系统同步记录大鼠受到冲击时的运动行为和受到的地面反力.大鼠抗冲击的平衡调节策略与身体受冲击的部位有显著相关性.胸外侧受到冲击时,大鼠     

脑机接口——脑信息读取与脑活动调控技术

脑机接口(brain-computer interface, BCI)技术通过建立大脑与外部设备之间直接的信息交流和信号控制通道,实现脑思维活动与外界通信和交互作用,从而进行脑信息读取、外部执行设备的控制,以及脑活动的调整和控制.脑机接口是一种多学科融合的交叉技术,涉及神经科学、计算机科学、通信与信息处理技术、人工智能技术等,展现了广阔的发展和应用前景,包括医疗与康复、科学与教育、自动驾驶、工业控制等.同时,脑机接口技术的发展和应用面临重要的技术以及法律和伦理方面的挑战.本文简要介绍脑机接口技术的基本原理和组成,从信号获取、神经解码和认知脑机接口等关键技术角度阐述了国内外研究现状:从技术角度,讨论了脑机接口技术面临生物兼容性、通信速率、信号获取和处理、神经解码、安全等方面的挑战;从伦理和法制角度,指出该技术面临隐私、自由意志、身份认同和社会公平等方面的挑战.最后,展望了脑机接口技术未来的研究方向和应用前景.     

量子信息技术纵览

量子信息技术经过近三十年突飞猛进的发展,在理论和技术方面已经获得了举世瞩目的成就.本文主要对量子信息技术各个热点研究分支的发展进行了概括性的介绍,涉及到量子密码、量子通信、量子计算、量子模拟、量子度量学、量子信息物理基础等各个领域.此外,也讨论了原子、分子和光物理、固体物理的各个分支(超导约瑟夫森结系统、半导体量子点自旋系统、金刚石氮-空穴色心系统)、离子阱、核磁共振系统等各种物理体系在量子信息技术中的应用和发展.通过对量子信息技术的研究和积累,人们调控微观世界的能力获得了显著的提高.量子密码技术已经接近实用化,长程量子通信的原理性验证也不存在原则上的障碍.量子模拟技术快速发展,已经接近经典计算机可以模拟的极限.同时,量子度量学也获得了快速的发展.本综述不仅反映了国际量子信息技术发展的状况,而且也提炼了近年来中国量子信息科学技术在国际上取得的成就.这些成就表明,中国已经成为量子信息世界版图中一股不可或缺的力量.     

中国神经科学领域发展态势:基于WOS数据库10年文献计量分析

神经科学已经成为各国政府高度重视的具有战略意义的研究领域.为了解中国该领域发展态势,本文运用文献计量方法,基于2004~2013年Web of Science科学引文索引(science citation index,SCI)神经科学领域论文数据,与国际主要国家对比分析了中国该领域SCI论文数量及其被引用情况、专业研究机构规模、主要发文期刊及其Q分类以及影响因子TOP5期刊文章数量和影响力等.结果表明,中国神经科学领域专业研究机构数量及其产出量近年来增长显著;虽然仍以低影响因子期刊论文为主,但近两年中国高水平期刊文章数量呈增长态势,TOP5期刊论文影响力高于国际平均水平,说明近年来中国神经科学领域研究规模增长显著,研究水平也有所提升.     

大鼠在侧向冲击下的平衡调节行为

在外界的干扰下,动物可以实时地调整运动模式,来平衡外界的扰动以保持运动的平稳性.本文以短腿直立动物大鼠(Rattus norregicus)为研究对象,用单摆分别冲击大鼠的胸外侧和腹外侧,由高速摄像机和三维运动反力测试系统同步记录大鼠受到冲击时的运动行为和受到的地面反力.研究大鼠受到侧向冲击的平衡调节策略.大鼠抗冲击的平衡调节策略与身体受冲击的部位有显著相关性.胸外侧受到冲击时,大鼠主要依靠类弹簧的身体迅速弯曲吸收能量.腹外侧受到冲击时,大鼠通过身体的侧摆和腿的外支撑,刚性地平衡侧向冲击力和力矩.通过身体的侧摆实现应急缓冲比身体弯曲的应急缓冲时间短,但是调整恢复到正常运动状态需要更多时间.研究动物在外界干扰下的身体平衡调节策略,可以为仿生机器人的鲁棒性设计提供参考.     

认知与情绪的交互作用

长期以来认知与情绪被认为是相互分离的系统, 但是近期大量的认知科学和神经生物学研究表明, 认知与情绪之间的关系可能是相互依赖, 而不是彼此分离. 基于行为和神经科学的研究证据, 研究者们意识到, 有必要提出一个全新的概念框架来描述认知与情绪的关系. 本文总结近期有关认知与情绪交互作用的行为、神经科学和发展心理学研究, 并探讨认知与情绪的交互作用对计算机科学和人工智能领域的影响, 特别是其在情感计算领域的应用.     

鱼类生殖发育调控研究进展

动物生殖发育机制一直是生命科学的重要研究课题之一. 鱼类的生殖发育及其调控机制研究不仅具有重要的理论意义, 而且在指导鱼类品种改良上具有广泛的应用前景. 本文评述了鱼类性别决定和分化、生殖细胞和性腺发育以及生殖发育调控策略等方面的研究进展. 由于鱼类在动物演化中承上启下的地位、丰富的物种多样性和几乎具有所有脊椎动物生殖策略等特点, 以鱼类为模型可望取得动物生殖调控机制研究的重要突破, 并由此建立鱼类生殖开关和性别控制开关等生殖操作新技术, 为鱼类养殖品种培育技术打开一扇新的大门.     

非连续约束变结构机器人运动机构的仿生: 概念及模型

机器人的运动能力、效率和可靠性是衡量机器人品质的重要指标, 要进一步提高机器人的品质, 还有若干关键科学问题尚没有得到澄清和解决. 我们从仿生壁虎机器人运动协调的困惑中发现, 这类机器人的腿式运动机构为开环-闭环转变, 闭环状态下与接触体形成拟态构件长度也有变化的变结构机构, 开环到闭环转变中自由度和约束也呈现非连续变化. 提出了非连续约束的变结构运动机构的概念, 建立了非连续约束的表述方程, 这类机构的驱动和控制设计是机器人运动系统进一步提高性能和效率的关键之一. 借鉴生物脊椎-外周运动神经系统对运动的控制策略, 提出这类机构的运动控制和驱动策略, 并指出腿式机器人未来发展必须解决的若干关键问题.     

疼痛与痒神经机制的异同:感受、传导与调控

疼痛和痒是人体最重要的两种保护性躯体感觉,它们会导致个体产生不同的保护性反射行为.疼痛和痒在感觉信息传导过程中存在一些相似之处,但两者是否共享神经通路,目前还存在很大争议.本文以近些年神经影像和电生理学领域的研究结果为主,从躯体感觉在外周和中枢神经系统之间上行传导和下行调控的角度系统总结和比较了疼痛和痒在神经机制方面的异同.首先,本文从外周神经系统、脊髓水平以及大脑水平3个层面阐述了疼痛与痒的神经编码机制及其异同点;其次介绍了两者中枢调控系统的异同,并从感觉缓解与奖赏系统激活的角度阐述两者神经机制的关系.现有研究结果表明,疼痛和痒之间并不是单纯的独立、重叠或拮抗关系,而是存在着复杂的交互作用,并且疼痛与痒的缓解也与奖赏系统存在双向调控关系.