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Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi = Journal of Biomedical Engineering logoLink to Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi = Journal of Biomedical Engineering
. 2018 Jun;35(3):429–434. [Article in Chinese] doi: 10.7507/1001-5515.201712082

测试水生动物机器人运动的水迷宫

A water maze for testing the motion of aquatic animal robots

勇 彭 1,*, 晓晓 韩 1, 婷婷 王 1, 洋 刘 1, 艳红 闫 2, 佳宁 刘 1, 凡 张 1, 洋洋 苏 1
PMCID: PMC9935229  PMID: 29938952

Abstract

现有迷宫主要是用于动物学习记忆研究，而在水生动物机器人运动观察与测试方面还缺乏相应迷宫与方法，为此本文研制了一种带有分层线和刻度线的双层多通道的组合式立体水迷宫。该装置由 1 个正方形底面和 4 个长方形侧壁组成的长方体结构，四面侧壁通道均由 1 个上层通道和 2 个下层通道组成，4 个上层通道圆心均在侧壁垂直中线上，相邻两上层通道呈 90° 角，相邻侧壁两下层通道呈 45° 角，侧壁带有分层线和刻度线，可测试水生动物所处的空间位置与运动轨迹。将鲤鱼机器人置入水迷宫进行水下实验检测，鲤鱼机器人（n = 10）进行 135°、90° 和 45° 的左右转向及前进运动成功率均超过 60%，表明该装置可实现鲤鱼机器人运动的观察与测试。

Keywords: 水迷宫, 水生动物, 生物控制, 学习记忆

引言

动物机器人生物行为控制是当今世界一个新兴的前沿科技领域，人类通过对动物机器人的有效控制可使其执行多种任务，尤其在水生动物机器人领域。2004 年，美国通过植入鲨鱼脑电极遥控其运动，并利用鲨鱼对水中电流信号的探测能力，跟踪海面货船上遗漏的化学品[1]。2005 年，俄罗斯在海龟身上搭载控制装置，遥控海龟进行侦查活动和生态环境监测[2-3]。2009 年，日本将无线控制刺激器搭载在金鱼头部，刺激中脑控制金鱼的前进和转向[4]。2007 年，我国燕山大学也初步实现了对鲤鱼机器人的无线遥控控制[5]。

在动物机器人的基础性实验研究方面，迷宫装置可被用来对动物机器人的控制能力进行观察与评估。19 世纪末，Lubbock 首先在昆虫的开创性实验研究中发明了迷宫方法，从此研究者又发明了多种迷宫用于科研和教学。目前在各类研究中最常用的有 T 迷宫及其变式、Y 迷宫[6]以及 4 臂以上的放射臂迷宫和水迷宫，其中 Morris 水迷宫（Morris water maze，MWM）是由 Morris[7]于 1981 年发明的用于动物空间位置感和方向感（空间定位）以及学习记忆能力研究的测试装置[8]，在国际上已得到广泛应用。该实验模型已成为研究学习记忆的常用方法之一[9-10]。该模式是在迷宫内注入水，将大鼠放入迷宫内，通过观察大鼠寻找站台所用的时间、距离、朝向角度和策略等行为数据测试大鼠学习记忆能力[11-16]。在应用迷宫过程中，Markowska 等[17]用一个不对称的多重 T 迷宫，提供了一种平衡方法来评估哺乳动物中发现的导航学习和记忆的两种形式。而 Guariglia 等[18]通过结合 MWM 和 T 迷宫的要素，设计了一个水 T 迷宫测定法，用于测定小鼠重复行为。

到目前为止，国际上现有的迷宫多用于测试爬行动物、鸟类动物和陆地哺乳动物的空间位置感和方向感（空间定位）以及学习记忆能力，而能用于水生动物机器人运动控制能力测试的迷宫及其方法尚未见文献报道。对此，作者基于传统的迷宫在设计与应用方面进行了创新与拓展，设计并制作了一种主要用于水生动物机器人运动观察与测试的水迷宫。

1. 设计思路

本文将水迷宫设计成一长方体结构，在实验时先将其放在实验水池中组装，再灌水使用，水面高度可根据实验需要来定。

为了观察与测试水生动物的上浮与下潜运动，在本装置侧壁上设计上、下两层圆孔通道，并在侧壁上设置上、下两条分层线。为了观察与测试水生动物的转向运动，设计相邻侧壁的通道互成一定角度。为能够对水生动物的空间位置与运动轨迹进行量化测试，在侧壁设置垂直刻度线以及在底层设置水平刻度线。为增强本装置在水中的稳定性，在装置底部增加固定底座。

在应用时，可以通过通道以及分层线和刻度线设置多种规划路径。本装置既可以用于水生动物机器人的三维立体空间位置、运动轨迹、多角度控制能力的观察与测试，还可用于水生动物学习记忆能力的观察与测试。

2. 装置结构

如图 1 和图 2 所示，本文设计的一种带有分层线和刻度线的双层多通道的组合式立体水迷宫为一长方体结构，由固定底座、长方形侧壁、多插口插槽立柱等组成。固定底座是将 4 根多插口插槽立柱摆放成正方形，再通过外角件、T 型螺栓和法兰螺母在正方形 4 角处将相邻两插槽连接固定，从而形成一个固定底座。多插口插槽立柱有 4 个插口。内角件、L 型连接板、T 型螺栓与螺母共同用于固定底座与插槽立柱的连接固定，将固定底座与立柱组合成框架，再将 4 个侧壁依次插入相应插槽内从而组装成本装置。

图 1.

图 1

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Sketch map of water maze

水迷宫示意图

图 2.

图 2

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Physical map of water maze

水迷宫实物图

本装置有 4 个侧壁，每个侧壁均有 3 个圆孔作为通道，通道分为上、下两层，即一个上层通道和两个下层通道，上层通道与下层通道呈等腰三角形关系。上层通道共有 4 个，圆心在侧壁垂直中线上。如图 1 所示，用蓝色线条将上层的四个圆孔通道连接成正方形，相邻两圆孔通道所成角度为 90°；用红色线条将下层的八个圆孔通道连接成八边形，每个内角为 135°，但夹角通常是用锐角来表示的，所以用 135° 的补角即 45° 作为相邻两个侧壁的圆孔通道互成的角度。

本装置侧壁设置有分层线，上、下两条水平分层线分别经上层和下层通道圆心贯通整个侧壁，从而将水迷宫分为上、中、下三层；侧壁设置一条垂直平分线，垂直平分线经上层通道圆心在垂直方向上贯通整个侧壁，4 个侧壁垂直平分线的连线可将迷宫分为四个区；侧壁设置有刻度线，刻度线分为底层水平刻度线和侧壁垂直刻度线。

我们制作的由有机玻璃构成的水迷宫长为 200 cm，宽为 200 cm，高为 55 cm；圆孔直径为 15 cm；上层通道的圆心距侧壁上缘为 17.5 cm，距两侧边缘均为 100 cm；下层通道的圆心距侧壁下缘为 17.5 cm，距两侧边缘分别为 58.5 cm 和 141.5 cm（见图 2）。本装置已获国家专利（ZL 2017 2 0208282.3）[19]。

3. 水生动物机器人运动控制实验

为对本文装置与应用方法进行检验，我们应用本装置进行了鲤鱼机器人运动控制实验。

3.1. 实验方法

在实验水池中，先将本装置的底座与多插口插槽立柱等进行安装，将 4 个侧壁依次插入相应的多插口插槽立柱内，组装水迷宫，再向实验水池和水迷宫内注水，水面高度根据实验需要而定。

将实验鲤鱼 10 尾放在 0.36 mol/L 丁香酚溶液中进行药浴麻醉。

应用开颅钻在鲤鱼颅骨上钻孔，借助脑立体定位仪将脑电极植入鲤鱼脑运动区，将微刺激器搭载于鲤鱼身上，将制作的鲤鱼机器人置于水迷宫装置内。

应用无线通信遥控系统对鲤鱼机器人进行无线遥控，在个人电脑（personal computer，PC）的控制面板上调节刺激信号发生器的参数，由无线控制装置发出模拟电生理信号，通过脑电极电刺激脑运动区来控制鲤鱼机器人的运动以完成规划路径，到达水迷宫中预定的通道。

在实验时，本研究选定水迷宫某一通道位置作为出发点，控制鲤鱼机器人到达指定的通道圆孔，进行直线前进、左转 135°、右转 135°、左转 90°、右转 90°、左转 45°、右转 45° 运动的测试。本研究将鲤鱼机器人能够通过或到达指定的通道为实验成功标准。

3.2. 实验结果

我们对鲤鱼机器人运动控制的水下实验进行了拍摄，观察到鲤鱼机器人在本装置内的前进和转向等运动，本文以直线前进、左转 90° 和右转 90° 运动为例展示视频截图（见图 3）。

图 3.

The wireless remote control experiment of carp robot in water maze

水迷宫内鲤鱼机器人无线遥控实验

a. the forward movement of carp robot; b. the left movement of carp robot; c. the right movement of carp robot

a. 鲤鱼机器人前进运动；b. 鲤鱼机器人左转向运动；c. 鲤鱼机器人右转向运动

图 3

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如图 3a 所示，鲤鱼机器人从下层某一圆孔通道位置出发直线运动到达同一侧壁下层圆孔通道位置，并由侧壁水平刻度线可测知鲤鱼机器人前进的距离；如图 3b 和图 3c 所示，鲤鱼机器人从某一侧壁下层一个通道出发经左转向或右转向运动到达相邻侧壁通道，所走路径与两相邻侧壁之间通道连线构成等腰直角三角形，故所转角度为 90°。

本研究将鲤鱼机器人（n = 10）分别放入水迷宫装置内，应用无线通信遥控系统控制鲤鱼机器人在水迷宫中进行了直线前进、左转 135°、右转 135°、左转 90°、右转 90°、左转 45° 和右转 45° 的运动，实验测试的成功率如表 1 所示。

表 1. The success rates of wireless remote control of carp robots in water maze (n = 10).

水迷宫内鲤鱼机器人无线遥控运动的成功率（n = 10）

运动形式 失败数 成功数 成功率（%）
直线前进运动 4 6 60
左转 135° 运动 4 6 60
右转 135° 运动 4 6 60
左转 90° 运动 2 8 80
右转 90° 运动 3 7 70
左转 45° 运动 3 7 70
右转 45° 运动 3 7 70
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4. 讨论

自从 1981 年英国著名心理学家 Morris 设计出 Morris 水迷宫以来，Morris 水迷宫就作为一种重要的实验工具和研究方法在世界上被广泛应用于学习记忆等方面的科学研究，之后人们又根据科学研究的需要在经典 Morris 水迷宫的基础上进行了不断的改进与发展。基于已有的迷宫，我们在迷宫装置结构与应用方面也进行了一定创新与拓展，研制了一种带有分层线和刻度线的双层多通道的组合式立体水迷宫，不仅适用于水生动物学习记忆的实验研究，还更适用于水生动物机器人运动控制能力的观察与测试。

国际上常用的迷宫如 Morris 水迷宫[9]、Y 迷宫[6]、T 迷宫[20]、八臂迷宫[21]等均是单层结构特征的迷宫装置，能够很好地用于陆地动物二维平面运动的实验研究。但水生动物的运动特点为三维立体运动，所以已有的迷宫尚不能实现对水生动物三维立体运动的观察与测试。而本文装置侧壁设置了上、下两层通道以及两条水平分层线，水平分层线将迷宫分为上、中、下三层，使本装置具有了分层功能，可以解决这个问题。

现有的迷宫主要是为了观察与测试动物的学习和记忆能力，通常未设置刻度线。而本文装置是为了对水生动物的三维立体空间位置与运动轨迹进行观察与测试，故在侧壁上设置了一条垂直平分线和刻度线，4 个侧壁上垂直平分线的连线可将水迷宫分为 4 个区。因此，本装置不仅具有多个通道而且还设置了分层线和刻度线，将这三者结合可实现对水生动物所处的空间位置和运动轨迹以及多角度转向的量化测试，尤其适合于将迷宫与计算机视觉技术结合使用。

本文装置设计多个通道，各个通道之间具有一定的角度关系，可以用来对动物的转向运动进行观察与测试。在本实验中，控制鲤鱼机器人在水迷宫内进行直线前进、左转 135°、右转 135°、左转 90°、右转 90°、左转 45° 和右转 45° 的运动，结果表明，鲤鱼机器人（n = 10）的实验成功率均在 60% 以上（见表 1）。由此我们认为，本文装置与使用方法可以实现水生动物运动的观察与测试，是具有可靠性、可行性、科学性和实用性的。

传统的迷宫一般为整体结构装置，不可拆分与组合，不便搬运且长期占地。而本文装置拆卸方便，组装简单，易于搬运，不需长时间占用实验场地，功能多样，内容丰富，具有较强的灵活性和实用性。

本文装置除了可以用于水生动物机器人的实验研究外，还可以考虑用于水生动物学习和记忆的实验研究。尽管目前我们还没有进行一定数量的相关实验，但根据已有迷宫的原理与方法，再结合本研究的鲤鱼机器人运动控制检测实验，我们推断本装置可以用于水生动物学习和记忆的研究。如果将水生动物放入本装置内，统计动物沿着规划路径找到食物的正确率与训练次数的关系，再对完成预定目标的动物给予食物奖励，能够开展水生动物学习和记忆方面的实验研究。这也是我们下一步将要考虑的研究工作。

动物机器人生物行为控制是一个崭新的科技领域，所以目前用于动物机器人实验研究的迷宫极少。现虽有三臂迷宫装置[22]，但该装置主要是面向大鼠等陆地动物机器人使用的迷宫，还不适合用于具有三维立体运动特点的水生动物机器人实验研究。基于水生动物机器人运动控制实验测试与评估的需要，本文装置与使用方法具有一定的科学性与实用性。另外，本文仅以鲤鱼为例，设计并制作了一种水迷宫。而在实际应用中，人们可根据实验对象和科学研究的需要，对本装置的参数和结构进行调整与制作，灵活运用，以实现多种实验功能。

5. 结语

本文提出了一种带有分层线和刻度线的双层多通道的组合式立体水迷宫。本文装置具有可拆分可组合、稳定性强、分层分区、可量化测试、可多角度转向的特点。经鲤鱼机器人水下运动控制检测实验，提示本装置可实现水生动物运动的观察与测试。本装置主要面向水生动物机器人的三维立体空间位置、运动轨迹、多角度转向的观察与测试，也可用于水生动物学习记忆能力的科学研究。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（61573305）；国家高技术研究发展计划（863计划）项目

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