摘要
生物机器人是当今世界一个新兴的多个学科交叉融合的前沿科技领域。生物机器人未来可以替代人类完成复杂和危险的任务，所以生物机器人具有重要的科学研究意义和广阔的应用前景。水生生物机器人是生物机器人领域的一个重要分支，在实际应用方面具有独特的优势和显著的特色。为通过小脑和中脑局部场电位（LocalFieldPotential，LFP）研究来探究如何对水生生物机器人长时间有效控制，本文以鲤鱼为对象进行实验研究，本课题的研究工作如下： 由于鲤鱼较长时间都维持在静止状态或缓慢游动的状态来降低身体的代谢水平以减少能量的消耗，为采集到转向状态下的脑电信号，本文设计了一种用于鲤鱼机器人运动行为控制的光电刺激结合装置，利用自制的光电刺激结合装置和生物信号采集与分析系统实现了在静止状态下鲤鱼不同脑区脑电信号采集，以及在光刺激下诱发同一运动行为时鲤鱼不同脑区的脑电信号采集，记录了鲤鱼小脑脑运动区和中脑视盖的局部场电位信号。 采集到的局部场电位信号受到一定的背景噪声的影响。因此，本研究对鲤鱼水下的静止状态和光刺激诱导下的运动状态的脑电信号进行了信号处理，使用数字滤波、小波去噪和小波包分解去除基线漂移等方法得到有用信号含量较多，噪声信号含量较少的信号。随后使用时频分析方法对处理后的脑电信号进行了分析。本研究将局部场电位信号分解为五个子带频段，并对每个频段单独计算小波包能量提取特征。结果显示，在鲤鱼从静止状态到光刺激诱导运动状态的转变过程中，θ、β、γ频段的成分会有所增加。本研究推测这三个频段可能会含有更多的运动信息。此外，对比小脑和中脑的小波包能量，发现在θ和β频段中，小脑的能量要比中脑的小波能量小一些，而在θ和β频段中，小脑的能量又要小于中脑的小波能量。在运动状态下，小脑和中脑的θ和β频段的变化最大，其中受光刺激影响，β的变化尤为明显。 本文使用时域、频域和时频域三方面的技术方法对鲤鱼小脑和中脑同一运动行为下的脑电信号进行研究。结果表明，鲤鱼小脑和中脑的脑电信号有相关性也有差异性。在静止状态下，鲤鱼小脑和中脑的相关性较高，各个频段的相对功率也比较相似，小脑所包含的信息较中脑要高一些。在光刺激诱导运动状态下，鲤鱼小脑和中脑的相关性有所降低，各个频段的相对功率出现差异性，小脑和中脑θ和β两个频段的变化较大，且中脑θ频段的变化会更强烈一些，两个脑区所包含的信息都有所上升，鲤鱼小脑和中脑在整个运动过程中均有不同程度的参与。 为研究刺激频率改变时鲤鱼机器人的运动行为变化，本研究将鲤鱼水下刺激实验分为小脑刺激组、中脑刺激组、小脑和中脑联合刺激组。单独刺激组的实验结果表明：向小脑运动区施加35Hz左右频率的电刺激会使控制成功率达到最高，成功率可达65%，而向中脑运动区需要施加40Hz左右频率的电刺激才能使控制成功率最高，可以达到70%。联合刺激组的结果表明：联合刺激有利于提高鲤鱼机器人控制成功率，但控制精度没有单一刺激稳定，会出现鲤鱼较激烈的运动行为发生。本文为鲤鱼机器人有效控制机理研究在脑电方面奠定了一定基础。
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