脑机接口:通往赛博格之路

正用意念控制物体是很多科幻电影中的情节,而今随着科学研究的进展,人机交流已经成为现实,这其中的关键是脑机接口技术。它能把计算机等外部设备与人脑直接连接起来,通过分析解读大脑神经元发出的电信号,将其转化为相应的动作,从而操控物体。也许在不久的将来,瘫痪者就可以直接用大脑控制轮椅。本文就来介绍这种新技术的奥妙。     

具有特殊功能的传感器技术

传感器技术是信息技术的重要组成部分。近年来,随着科学技术的发展,这项技术已逐步形成为一个完整的体系,广泛应用于机器人、空间技术、海洋开发、生物工程、资源探测以及冶金、机械等的监测、控制和计量系统中。传感器是指具有利用光、电、磁、声、热、机械力、生物等能量、信息转换成相应的电信号,然后通过该电信号来控制或接收各种形式的能量和信号的功能的器件。例如,电视摄象机、敏感元件、换能器等都是传感器。传感器根据它的工作机理和效应,可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等数种。物理传感器就是根据光、电、声、磁、热等物理效应来制成的,又可分为红外线传感器、超声波传感器、磁传感器以及最近正     

基于表面肌电信号的上臂动作识别研究

分析上臂动作与上臂肌肉的关系,通过表面肌电信号正确识别上臂的动作,是实现上肢功能修复的关键.设计了上肢曲臂、伸臂、水平外摆、水平内收、手臂垂直外旋和手臂垂直内旋6个动作,分别同时记录三角肌、肱二头肌和肱三头肌的表面肌电信号,采用时域和频域的方法提取特征值,通过人工神经网络进行识别,识别率达到90%以上.结果表明,通过上肢肱二头肌、肱三头肌和三角肌的表面肌电信号识别上臂的运动是可行的,为应用生物电信号控制机械假肢和实现脊髓损伤功能障碍修复奠定理论基础.     

膝上型假肢的运动意图识别与控制

根据不同路况条件和典型步速的笛卡尔积组合,利用装配在残肢侧的陀螺仪、加速度计和足底前后的压力传感器的信息,通过相关性系数分析、传感器融合、隐马尔可夫模型的方法,判断假肢使用者的运动意图.以健肢运动状态为参考值,利用迭代学习控制分别建立不同路况和步速情况下的控制知识数据库.通过传感器的关键状态变化信号驱动有限状态机状态转换,输出控制知识库中的控制量,实现假肢膝关节在不同路况、步速条件下对步态相位的控制.针对控制过程中出现的输出量实时偏差,采取了在线校正措施.对于有限状态机输出控制数据序列在时间同步上的超前和滞后问题,采取了相应的保持和补偿措施.结果表明,经隐马尔可夫模型处理后路况判断准确率可提升到91.7%,基于数据驱动的无模型控制方法能够实现对不同路况、步速下假肢步态的有效控制.     

基于相关性分析的下肢假肢步行模式预识别方法

为了减小假肢执行器延迟以及判断程序延迟对动力型假肢协调控制带来的影响,采用步行模式预识别的方法,提前控制动力型下肢假肢的运动,以达到最佳的协调控制效果.利用假肢接受腔装配的陀螺仪传感器、加速度传感器以及安装在假肢足底的压力传感器来进行数据采集,通过分析传感器采集数据与模版数据之间的相关性信息来实现步行模式的预识别.实验结果表明利用分析多传感器数据的相关性预识别步行模式的方法是有效的,可使假肢及时调节、及时动作,增强了假肢的智能性,该技术对智能假肢的发展具有重要的实用价值.     

“十年磨一剑”潜心脑信号分析研究 脑控技术可实现“想”做什么就做什么

<正>只要戴上一个电极帽,仅凭目光和想法就能轻松操控轮椅,前进、后退、停止、快慢,十分自如,"想"做什么就做什么,甚至还可以绕过摆在地上的障碍物……这些以往只是在科幻片中看到的"意念控制"技术,在现实中已可实现。华南理工大学自动化科学与工程学院院长、脑机接口与脑信息处理研究中心主任李远清教授团队"十年磨一剑",潜心脑信号分析与非侵入     

手指运动姿态检测及假肢手指动作实时控制

设计了一种通过实时检测手指关节弯曲角度控制假肢手指动作的实验系统.系统主要由手指运动姿态实时检测、关节角度分析、控制与驱动电路、欠驱动机电假肢手4部分组成,假肢手包含拇指、食指、中指3个独立动作的手指;利用加速度传感器ADXL330实时检测手指运动姿态信息,由DSPTMS320F2812微处理器实时检测手指关节运动的瞬时角度变化并进行PWM脉冲编码,控制步进电机运动以驱动假肢手指关节转动.并分别对加速度传感器检测手指运动和假肢手指动作实时控制进行了实验测试;实验结果表明,系统采用的加速度传感器ADXL330能实时检测手指运动姿态,利用手指关节角度信息能有效驱动假肢手指屈伸,并通过三指配合完成抓握动作.     

我国首次成功在脑中植入电极用意念控制机械手臂

正近日,浙江大学医学院附属第二医院神经外科与浙江大学求是高等研究院合作的"脑机接口临床转化应用课题组"宣布,首次通过颅内植入电极的方式实现意念控制机械手,人类利用"意念"操控机械不再是空想。这一成果为"渐冻人"实现运动功能重建带来了希望。脑机接口,是指大脑与外部设备之间建立的神经信息交流与控制通道,从而实现大脑与外部设备的直接交互,完成大脑对外部设备的控制。本次研究中的大脑皮层植入电极技术可以在     

基于PMSM的无传感器控制技术的研究

使用PMSM无传感器复合操控方式不需要特别昂贵的机械传感器也能使得电机的总体尺寸变小,因而这个论题在学术界一直在不断地讨论中。详尽描述了低速高速以及复合操控方法的基本原理与实施的基本步骤,使用matlab/simulink搭建模型并仿真,分析实验结果可得出该方法在零速低速到高速的范畴内有比较好的跟踪性能。     

基于肌肉电信号控制的假肢用机械手的设计

介绍了一种灵巧机械手的设计和控制,这种机械手可以作为多功能的上肢假肢.此机械手包含了手和手腕的设计.它的手部可以完成四种抓取模式(握,捏,侧握,侧捏),腕部可以屈曲和旋转.所有的这些动作仅有四个电机来控制.在尺寸优化的基础上,建立了食指的运动学模型并求出了食指运动学的正解和逆解.从而为进一步研究机械手的轨迹规划和控制问题提供了理论依据.最后,简要描述了肌肉电信号的产生以及如何利用肌肉电信号来控制该假肢的运动.     

一种简易光控照明电路的设计

随着光控电路的发展,光能在智能化设计电路中得到了广泛应用,本文设计了一种既实用又便于制作的光控照明电路,首先为确保电路能正常工作设计了一个稳压电路,然后利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点去控制电信号的强弱,再由传感器将变化的电信号传递给触发器,只要电信号强度达到一定程度就可触发触发器使其导通工作,这样就能实现当外界光照强度降低到一定程度时,使照明电路导通工作,从而就可实现光对照明电路的亮与暗的控制.     

光子噪声受限的波前传感器的实验研究

以自适应塑远镜技术中应用最广的哈特曼(Hartmsnn)型波前传感器为例,利用光子计数技术对单孔径望远镜在光子噪声受限条件下所能探测到的目标星等极限、探测灵敏度极限以及探测速率极限等基本问题作了实验和理论研究。结果表明,利用文中所述的刀口式哈特曼波前传感器,在光子噪声受限条件下,在1ms探测时间内,在波前误差探测灵敏度为十分之一波长的情况下,可探测到八等星目标。为了在光子计数技术基础上准确标定实验目标的星等,研究分析了进入波前传感器的光通量与探测到的对应光电子通量之间的关系,给出了计算模式、计算机模拟结果和实验结果。     

基于EEMD和多域特征融合的手势肌电信号识别研究

人造假肢技术目前已成为一个研究的热点,手势肌电信号的识别为人造假肢的研究做出了贡献.提出基于总体经验模态分解(EEMD)的信号处理方法,首先将采集到的信号经EEMD分解成若干个固有模态函数分量(IMF),然后在得到的前三阶IMF的基础上提取时域、频域和希尔伯特域特征,融合提取的特征组成多域特征向量组,最后送入支持向量机分类器中来分类6种手势动作,识别率最高可达到98.7%.实验结果表明,通过EEMD分解原始信号提取的多域特征用来识别手势动作是可行的.     

基于无线控制和视频传输的多功能探测车

设计了一种基于远距离无线控制和视频传输的多功能探测车.以嵌入式系统作为控制核心,利用无线传输技术实现远距离无线控制和视频实时传输,实时地将图像传至电脑控制端,进而通过电脑实现对探测车的控制; 还可以通过控制者手臂上的传感器获知控制者手臂的动作,实现对小车上的机械臂进行简单、精准的控制.搭载了LTE模块,在超出传输距离时转到LTE模块,利用4G网承担数据和视频的无线传输以及无线控制,使探测车可以稳定可靠的工作.根据不同的任务要求,可搭载各种不同的传感器,探测所处环境的各种参数.探测车采用履带式设计,能适应各种不同路况.该探测车可替代人类进行危险和未知地域以及不适于人类进入的地域进行探测、救援、样本采集、危险排除等工作,有效防止了人类进入危险地域执行探测、救援等任务所造成的人身伤害和财产损失.     

由三枚电极拾取肌电以控制三个自由度肘下假肢的研究

本文报导了依据容积导体的电场理论和肌电假肢的设计原则,运用三枚普通表面电极拾取肌电信号,自然控制三个自由度动作的肘下假肢的方法。为了衡量本方法的实用价值,曾应用阈值可调的逻辑电路在正常人和截肢者(各15例)身上进行测试。结果表明,无论在稳定性或在通用性方面均有明显的意义。最后,文中对本方法的理论基础也进行了讨论。     

单自旋量子精密测量——基于钻石量子传感器的微观磁共振

量子精密测量作为基于量子力学原理发展起来的精密测量技术,正成为各学科发展的重要推动力.此处所谓的单自旋量子精密测量一层含义是指以金刚石中的一类点缺陷——氮-空位色心单自旋为量子信息载体,通过光探测磁共振方式对其进行检测;另一层面是指通过微波射频的操控将氮-空位色心单自旋制备成量子传感器,实现高灵敏度高空间分辨率的微观磁共振,甚至可以达到对单电子/单核自旋检测的水平.这一技术用量子传感代替电学探测模式,将传统磁共振的检测能力在空间上从毫米推进到纳米尺度,分子数从数十亿推进到单个分子水平.基于氮-空位色心的量子精密测量技术仍处于快速发展阶段,其正在被应用于二维材料磁性研究、超导、单分子结构、单细胞磁检测等方向,有望为物理、化学、生命科学甚至医学等领域的发展提供重要支撑.本文首先介绍单自旋量子精密测量的基本概念和原理,接着着重介绍本课题组近年基于氮-空位色心的量子精密测量相关实验研究,包括单分子顺磁共振、纳米核磁共振、基础物理等方面的相关进展及未来研究展望.     

科技控

<正>兵坛健儿机器人国际象棋、机智问答……毫不夸张地说,机器人已在多个领域向人类发起挑战!新战场被搬到了乒乓球案上,德国冠军波尔与灵活矫健的机器人打得难分难解,最终他以夸张的扣杀,将球反弹到对手"臂长莫及"处,才以11:9险胜!精确的镱原子钟世上能造出永不产生误差的钟表吗?美国物理学家利用稀土元素镱,创造了当今最精确的原子钟,精度比此前最精确的铯原子钟提高了10倍——假如它从宇宙诞生之初开始"滴答"走动,直到今天,误差将不超过1秒!用大脑飞翔凭借欧盟研制的大脑控制装置,德国的7名飞行员在飞行模拟器中,成功地利用意念准确操控飞机——这种装有数十个电极的帽子,能读取佩戴者大脑的电信号,将其转化成电脑指令。脑控飞机,将从科幻走入现实!     

基于ARM的肌电假肢手控制器

由于肌电假肢手大多基于阈值的张、合控制,并存在操作灵活性差等问题,提出一种基于ARM的肌电假肢手控制器设计方案.采用ARM核STM32处理器作为主控芯片,通过2路A/D采集手臂尺侧腕屈肌和桡侧腕屈肌的肌电信号,分别提取时域和频域上的4种特征值,并采用BP神经网络分类算法实现对5种手掌动作模式的在线实时识别.实验结果表明,该控制器对5种动作的整体在线识别率可达97%,且符合实时性要求,很好地满足了残疾人假肢手控制的需求.     

基于小波包变换的下肢肌电假肢控制信息源的研究

肌电信号作为下肢假肢的控制信息源必须经过信号处理与特征提取.小波变换能将各种交织在一起的由不同频率组成的混合信号分解成不同频段的信号,检测出许多其他分析方法忽略的信号特性,因此小波变换常被用于表面肌电信号处理.而小波包变换对信号逐渐变宽的频谱可以进一步分割细化,具有良好的局部化品质,比正交小波变换更优越.该文将利用小波包变换方法对站立与行走过程中大腿股四头肌部位的肌电信号进行分析和特征提取,并利用各频段能量构造特征矢量,经过学习矢量量化神经网络训练,能够有效地从股四头肌采集的肌电信号中识别站立及行走的运动模式.     

三电子原子~6Li D线跃迁绝对频率的精密测量

在~6Li冷原子系综中,本团队发展了弱探测光和强本地光差拍探测的技术,在极低探测光功率密度的条件下(10~(-3)饱和光强),实现了达到光子散粒噪声极限的光谱测量.基于高精度光学频率梳的频率稳定性传递链,将探测光锁到光梳上,精确测量了~6Li原子的D线跃迁频率,得到不确定度优于1 k Hz的~6Li D_1线跃迁的绝对频率,比当前最高精度的测量提高了一个量级.2P能级精细结构劈裂和2P_(1/2)能级超精细结构劈裂分别为10052.7804(18)和26.1031(14) MHz,与最近的相对论修正及量子电动力学修正的理论计算相符合.本团队的测量结果给更高精度的理论计算提供了实验基准,同时也有助于解决之前不同实验测量的差异.