Abstract
为解决水生动物机器人因植入脑电极而产生的脑组织损伤、出血、感染和水肿等问题，本文提出了一种用于鲤鱼机器人的光刺激装置及光控实验方法。该装置是根据鲤鱼颅骨形状用万能板切割而成“王”字型结构，可为光刺激源提供 A、B、C 三组搭载桥平台，每组搭载桥两端各焊接一个跳线板，将发光二极管（LED）作为光刺激源插入跳线板中，将跳线板所有负极通过导线连接到控制台，LED 灯根据波长需要可以更换，还可选择多种组合光刺激方式。将该装置搭载于鲤鱼头部，将鲤鱼机器人置于水迷宫中，观察应用光控方法在暗光下控制鲤鱼机器人（n = 10）前进及转向等运动。结果显示，三组红光光控实验成功率在 53%～87%，三组蓝光光控实验成功率在 50%～80%。研究表明该装置与方法具有可行性。
Keywords: 水生动物机器人, 鲤鱼机器人, 光刺激装置, 光控实验方法, 生物控制
Abstract
In order to solve the problems that the injury, hemorrhage, infection and edema of the brain tissue caused by brain electrodes implantation for aquatic animal robots, a light stimulation device and an optical control experiment method for carp robots are proposed in this paper. According to the shape of the carp skull, the device is a structure of Chinese character “王” cut by a printed circuit board which can provide three groups of A, B and C bridge platforms for the light stimulation source. The two ends of a bridge in every group are welded with a jumper board, and the light emitting diodes (LED) are inserted into the jumper boards as the light stimulation source, and all negative poles of the jumper boards are connected to the console by the wire. A LED light can be replaced by another LED light according to the need of the wavelength of the LED light, and various combinations of the light stimulation modes can be also selected. This device was mounted on the carp robot’s head, the carp robot was placed in a water maze, and the optical control experiment method was observed to control the forward movement and steering movement of the carp robots (n = 10) under the dark light condition. The results showed that the success rates of the three groups of red light control experiments were 53%–87%, and the success rates of the three groups of blue light control experiments were 50%–80%. This study shows that the apparatus and the method are feasible.
Keywords: aquatic animal robot, carp robot, light stimulus device, optical control experiment method, biological control
引言
动物机器人是人类通过生物控制技术施加干预信号调控动物生物行为从而实现人类操纵的动物。近些年来，无论国际还是国内动物机器人的研究发展都比较快。动物机器人可充分利用动物在运动灵活性、天然隐蔽性和环境适应性等方面的优势，能够在恶劣危险环境下执行人类所不愿或所不能完成的任务，因而成为当今世界备受关注的崭新的前沿科学领域。
人类对动物进行生物控制的探索在 20 世纪就开始了，在国外动物机器人的研究中，以美国和日本的研究最具有代表性。日本东京大学 Shimoyama 教授团队[1]利用刺激感受器诱导动物运动的方式研制出蟑螂机器人，基本实现了蟑螂左右转、前进、后退等运动的人工控制；美国纽约州立大学 Talwar 博士团队[2-4]通过刺激感觉皮层和边缘系统，使用遥控装置远程遥控机器人鼠的前进、转弯、跳跃等动作；美国海军海战中心正在进行“鲨鱼特工”的研制计划，他们将鲨鱼武装成动物机器人，利用其不易被发现的特点，远程遥控鲨鱼机器人秘密获取敌方情报[5]。
近年来，国内也陆续展开了对动物机器人的研究。山东科技大学苏学成教授团队[6]通过对鸽子脑部神经的刺激，成功实现了起飞、左转、右转、盘旋等一系列动作；浙江大学郑筱祥教授团队[7]通过植入电极刺激大鼠背侧导水管周围灰质，诱发其防御行为，完成了大鼠机器人导航系统；南京航空航天大学戴振东教授团队[8]电刺激中脑内部核团，成功诱导大壁虎的转向、前进、后退和翻身等动作；本文作者团队[9-10]通过电刺激鲤鱼脑部神经，成功实现了对鲤鱼机器人水下无线遥控，之后还成功实现了对家兔动物机器人的运动行为控制。到目前为止，国内外动物机器人的控制手段主要是基于运动控制的脑-机接口技术，以电刺激方式通过电信号刺激动物的神经。电刺激方法虽然控制能力较强，但因植入脑电极而会给动物脑组织带来一定的损伤、出血、感染和水肿等问题，所以有必要寻找更适宜的新方法。
除了应用电神经刺激外，还可以利用光对动物进行神经刺激，而利用光刺激器对动物神经元进行准确而有效的刺激是实现动物机器人调控的关键。由于不同的光感基因具有不同的敏感度，能引起细胞产生光刺激变化的辐射照度也不尽相同[11]。美国斯坦福大学发现了两种光敏基因在导入神经元之后会使其对蓝光以及黄光分别表现出兴奋、抑制的活性变化，因此通过使用一定功率和频率的蓝光经由光纤刺激大鼠相应的大脑区域，成功控制了大鼠运动行为[12-13]；西北师范大学用光刺激峡蝶和菜粉蝶复眼引起视神经节层电生理反应，发现峡蝶和菜粉蝶对蓝光和绿光刺激具有较强的反应[14]；英国帝国理工大学的 Poher 等[15]利用发光二极管（light emitting diode，LED）微芯片建立了多点刺激平台，可以多点光刺激神经元；重庆大学设计了一种基于超声波刺激融合表皮电刺激和 LED 灯光辅助刺激的无创伤老鼠运动控制系统，该系统采用外部刺激源的穿戴式刺激方式实现老鼠的运动控制[16]。
虽然在应用光刺激动物神经方面已经开展了一些实验研究工作，但在水生动物中还缺乏光控方面的实验研究。在光照对水生动物的影响方面，由于动物的趋光性与其视力有关，因而在不同的种类以及同种个体的不同发育阶段，趋光性表现也不同[17-18]。利用水生动物的负性趋光性原理，即水生动物背离光源的行为特征，可以采用光刺激方法来对其进行运动行为控制。但到目前为止，能够用于水生动物机器人运动控制的光刺激装置及光控方法还尚未见国内外文献报道。对此，在实验研究的基础上，本文提出了一种在暗光条件下能够用于鲤鱼水生动物机器人运动控制的光刺激装置及光控实验方法，并进行鲤鱼机器人水下光控实验的检测，实验表明在不损伤动物脑组织的情况下，该装置与应用方法能够实现对鲤鱼机器人的水下运动控制。
1. 装置结构
本研究依据鲤鱼视觉生理的负性趋光性原理，再结合前期研究工作，发明了一种用于鲤鱼水生动物机器人运动控制的光刺激装置及光控实验方法。
如图 1 所示，本文设计的用于鲤鱼水生动物机器人运动控制的光刺激装置，由搭载板、跳线板、固定钉、导线和光刺激源组成。搭载板是根据鲤鱼颅骨形状特点用万能板切割而成，呈“王”字型特征，这样特征的结构可为光刺激源提供三组搭载桥的平台，在应用时将其固定在鲤鱼头部。
图 1.
Schematic diagram of light stimulus device
光刺激装置示意图
搭载板可以为 6 个光刺激源提供三组搭载桥平台，记动物双眼的前上方位置为 A 组搭载桥、动物双眼的正上方位置为 B 组搭载桥、动物双眼的后上方位置为 C 组搭载桥，每组搭载桥两端各安置一个光刺激源，这样可以在鱼眼的前上方、正上方和后上方的三个位置实现光源从不同方位及不同角度对鱼眼进行光刺激，从而达到观察与测试鲤鱼机器人前进、后退和左右转向等运动控制的研究目的。
跳线板是用于导通搭载板与光刺激源的结构，分别焊接在每组搭载桥的两端。将 LED 灯作为光刺激源插入每组搭载桥两端的跳线板插孔中以固定，所有跳线板上 LED 灯的负极连接在一起，再与控制台的负极连接，将跳线板上 6 个 LED 灯的正极分别与控制台相应的 6 个控制开关相连接。固定钉是用于固定装置的，使用 3 个图钉或螺丝钉穿过搭载板和颅骨，将装置固定于动物头部。光刺激源由 LED 灯形成，记动物左侧端红色 LED 灯为 RXL（其中 X 为 A/B/C 组搭载桥）、动物右侧端红色 LED 灯为 RXR，记动物左侧端蓝色 LED 灯为 BXL、动物右侧端蓝色 LED 灯为 BXR。本装置已申报国家专利（201420696022.1）[19]。
在实际应用时，根据研究的需要，可更换不同波长的 LED 灯，即不同颜色的 LED 灯，这样就可以选择多种组合的光刺激方式，既可在三组不同搭载桥位置上用同种波长的光源刺激实验动物，也可用不同波长的光源组合刺激实验动物，还可在同一位置和同种波长光源下改变光源的强度刺激实验动物，实现多种组合方式的光刺激源。本文光刺激装置及光控方法如果具有可行性，将会为未来的实际应用提供一种崭新的控制方法与相应装置。
2. 鲤鱼机器人水下光控实验
本研究选用两种不同波长的 LED 灯作刺激光源分别对鲤鱼机器人进行水下光控实验，通过实验对我们的假设进行验证，探讨本文提出的光刺激装置及光控实验方法在暗光环境下对鲤鱼机器人水下运动控制是否具有可行性，以及光控方法能否成为控制鲤鱼机器人水下运动的一种有效控制方法。
本研究将搭载光刺激装置的鲤鱼机器人放入本课题组自主研制的水迷宫中，在暗光环境下通过实验控制台分别对鲤鱼机器人在水下进行单侧光刺激（见图 2a）和双侧光刺激（见图 2b）光控实验。
图 2.
The underwater experiment of the carp robots by the optical control method
鲤鱼机器人水下光控实验
a. the experiment of unilateral light control; b. the experiment of bilateral light control
a.单侧光控实验；b.双侧光控实验
2.1. 实验方法
（1）将健康成年鲤鱼 10 尾放在 0.36 g/L 丁香酚溶液中进行药浴麻醉。
（2）用微型手电钻在鲤鱼颅骨上距离两眼连线中点后、左、右等距处分别钻孔，将 3 个图钉或螺丝钉穿过搭载板和颅骨，将光刺激装置固定于鲤鱼头部。
（3）将搭载光刺激装置的鲤鱼机器人放入实验水池中的水迷宫内，待鲤鱼苏醒并恢复正常游动能力后，营造暗光环境，YLS-9A 生理药理电子刺激仪（北京众实迪创科技发展有限责任公司）发出的电信号经导线传至光刺激装置 LED 灯并转换为光信号。
（4）根据光刺激源位置的不同，将实验分为三组：A 组搭载桥光控实验组、B 组搭载桥光控实验组、C 组搭载桥光控实验组。利用红、蓝两种不同波长的 LED 灯分别对鲤鱼机器人进行光控实验。每个鲤鱼机器人的每组搭载桥光控实验重复 3 次。
（5）通过电子刺激仪发射的不同频率和不同幅值的电信号来控制各组 LED 灯光源，对鲤鱼机器人进行水下光控实验。在红色 LED 灯光控实验结束后，用蓝色 LED 灯替换红色 LED 灯插入跳线板插口内，再进行蓝色 LED 光控实验。
（6）用红色 LED 灯光刺激时，频率为 1～20 Hz，电压幅值为 7.8 V。在 A、B、C 三组实验中，每组又分为单一左侧光刺激、单一右侧光刺激和左右两侧光刺激。
（7）用蓝色 LED 灯光刺激时，由于同等电压下蓝色 LED 灯发出的光较弱，不如红光，所以在蓝光刺激时加大了电压，增强蓝光强度，选择频率为 1～20 Hz 和电压幅值为 10 V。实验分组同红色 LED 灯。
（8）实施光刺激时，如果鲤鱼机器人出现转向或前进或后退记为“成功”；实施刺激时，如果无转向或前进或后退记为“失败”。用实验成功率来衡量光控对鲤鱼机器人运动控制的效果。
（9）将实验数据进行统计处理，采用统计学处理软件 SPSS 22.0 分别对红色 LED 灯和蓝色 LED 灯组间及 A、B、C 三组组间的光控实验数据进行 χ2 检验，以 P < 0.05 为差异有统计学意义。
2.2. 实验结果
本实验采用鲤鱼机器人（n = 10），红光与蓝光均分为 A、B、C 三组，每组又分别进行了左侧、右侧、左右侧同时光刺激，每个实验重复 3 次。
无论是红光还是蓝光，A 组、B 组、C 组左侧分别进行光刺激时鲤鱼机器人出现右转向运动；A 组、B 组、C 组右侧分别进行光刺激时鲤鱼机器人出现左转向运动；A 组两侧同时进行光刺激时鲤鱼机器人出现后退运动，B 组或 C 组两侧同时进行光刺激时鲤鱼机器人出现前进运动，实验结果见表 1。
表 1. The optical control experiment results of carp robots (n = 10).
鲤鱼机器人光控实验结果（n = 10）
| 实验分组 | 红光 | 蓝光 | |||||||
| 灯光 | 动作 | 成功数/总次数 | 成功率 | 灯光 | 动作 | 成功数/总次数 | 成功率 | ||
| A | RAL | 右转 | 23/30 | 77% | BAL | 右转 | 22/30 | 73% | |
| RAR | 左转 | 24/30 | 80% | BAR | 左转 | 22/30 | 73% | ||
| RAL、RAR | 后退 | 25/30 | 83% | BAL、BAR | 后退 | 23/30 | 77% | ||
| B | RBL | 右转 | 17/30 | 57% | BBL | 右转 | 15/30 | 50% | |
| RBR | 左转 | 16/30 | 53% | BBR | 左转 | 15/30 | 50% | ||
| RBL、RBR | 前进 | 18/30 | 60% | BBL、BBR | 前进 | 17/30 | 57% | ||
| C | RCL | 右转 | 25/30 | 83% | BCL | 右转 | 22/30 | 73% | |
| RCR | 左转 | 25/30 | 83% | BCR | 左转 | 23/30 | 77% | ||
| RCL、RCR | 前进 | 26/30 | 87% | BCL、BCR | 前进 | 24/30 | 80% | ||
由表 1 可知，当用红色 LED 灯进行光控时，A、B、C 三组实验成功率均超过 53%；当用蓝色 LED 灯进行光控时，A、B、C 三组实验成功率均超过 50%。
采用 SPSS 22.0 统计处理软件，用 χ2 分割法分别对 A、B、C 三组结果做两两对比。结果显示，A 与 B 两组比较成功率差异具有统计学意义（χ2 = 19.759，P = 0）；B 与 C 两组比较成功率差异具有统计学意义（χ2 = 26.793，P = 0）；而A 与 C 两组比较成功率差异没有统计学意义（χ2 = 0.417，P = 0.519（双侧），P = 0.259（单侧））。
用红色 LED 灯和蓝色 LED 灯分别对鲤鱼机器人实施光刺激时，两者结果比较差异无统计学意义（χ2 = 2.013，P = 0.159（双侧），P = 0.078（单侧））。实验表明，红色 LED 灯和蓝色 LED 对鲤鱼机器人的控制成功率无明显差异，由表 1 可知两者均可对鲤鱼机器人的运动行为进行有效控制。
在鲤鱼机器人鱼眼的左侧和右侧分别进行光刺激时，两组之间成功率无明显差异（χ2 = 0.013，P = 0.909 ）。由此可表明，从左侧或者右侧进行光刺激，对鲤鱼机器人的控制成功率没有明显差异，由表 1 可知两侧光刺激均对鲤鱼机器人的左右转向运动具有有效控制作用。
应用本文光刺激装置在暗光环境下对鲤鱼机器人进行水下光控实验，观察到了鲤鱼机器人受控进行前进、后退和左右转向等运动。本文以左侧光刺激鲤鱼机器人在暗光环境下控制其右转向运动为例，展示了鲤鱼机器人能够受控右转向并达到 180° 的视频截图（见图 3），表明本文的光刺激装置及光控实验方法可以实现对鲤鱼机器人水下运动的控制。
图 3.
The right steering movement of the carp robot controlled by the optical control method
应用光控方法控制鲤鱼机器人右转向运动
3. 讨论
目前国际上对动物机器人通常是以脑-机接口为关键技术，通过向脑运动神经核团植入刺激电极，施加模拟电生理信号实现其运动控制的，如水生动物机器人中的鲨鱼机器人[5]、金鱼机器人[20]等。应用植入式脑电极施加电刺激方法的优点是控制能力比较强，但同时也会带来副作用，如给实验动物脑组织造成一定的损伤、出血、感染、水肿等，甚至导致动物过早死亡，故有必要寻找一种新的更适宜的控制方法。
光对水生动物行为影响的研究，目前基本上还处在观察描述的资料积累阶段，但可以肯定，光在水生动物的行为变化中发挥了重要而复杂的作用[21]。如幼鲱鱼在较高的光照强度下呈趋光性，随着光照强度减弱，趋光性行为也减弱，当光照强度低于某一阈值时，表现为背光性，而在非常低的光照强度下，背光性也消失；而且随着幼体向成体的不断发展，光敏感性也不断增长，由光适应转为暗适应。又如幼鲱鱼对黄-绿光表现为趋光性，而在刚孵出时对 450、520 和 620 µm 光波表现为背光性，以后随着发育时期的不同，对光波的趋光性也会发生变化[22]。
基于上述文献的现象与原理，本研究运用光刺激装置在暗光环境下对鲤鱼机器人进行了探索性和试验性的研究工作，试图找到一种能够避免脑组织损伤的解决办法和控制手段。本研究依据鲤鱼视觉生理的的负性趋光性原理，再结合本课题组对鲤鱼机器人运动行为控制的前期研究工作，提出了一种用于水生动物机器人运动控制的光刺激装置及光控方法，可在暗光条件下利用不同角度、不同强度、不同波长的组合式光源对鲤鱼水生动物机器人运动行为进行控制，目前国际上尚未见相关的研究报道。
应用本文提出的用于鲤鱼机器人的光刺激装置及光控实验方法，在暗光条件下利用不同角度、不同强度、不同波长的组合式光源对鲤鱼水生动物机器人的运动行为进行控制。当用红色 LED 灯对实验鲤鱼（n = 10）进行光控时，A、B、C 三组实验成功率均超过 53%（见表 1）；当用蓝色 LED 灯进行光控时，发现实验效果与红色 LED 灯相似，A 组、B 组、C 组实验成功率均超过 50%（见表 1）。由此可以得出，用红色 LED 灯和蓝色 LED 灯对鲤鱼机器人进行光控都是有效且可行的。在水下对鲤鱼机器人运动行为进行控制时，无论是红光还是蓝光，A、B、C 三组左侧分别进行光刺激时鲤鱼机器人出现右转向运动；三组右侧分别进行光刺激时鲤鱼机器人出现左转向运动；A 组两侧同时进行光刺激时鲤鱼机器人出现后退运动，B 组或 C 组两侧同时进行光刺激时鲤鱼机器人出现前进运动（见表 1）。实验过程中出现的误差，可能是由于实验过程中的操作或者鲤鱼本身的个体性差异导致的，也有可能是实验过程中长时间对鲤鱼进行光刺激，导致鲤鱼对光的感应产生疲劳性，这个问题有待于将来进一步研究。
本文设计的光刺激装置呈“王”字型结构，可提供三对 LED 灯光源，即鱼眼的前上方（A 组）、正上方（B 组）和后上方（C 组），这样可以用三个不同方向、不同角度的光源进行光刺激。从实验结果看，在鱼眼的前上方、后上方、正上方位置发射的 LED 灯光源均可控制鲤鱼机器人的运动，表明光控方法可以成为控制鲤鱼机器人的一种有效方法。经统计学分析可以看出，A 与 B 两组成功率比较具有明显差异（P < 0.05），B 与 C 两组比较具有明显差异（ P < 0.05），而 A 与 C 两组比较则无明显差异（ P > 0.05），表明在鱼眼的前上方与后上方位置发射出的光刺激源控制鲤鱼机器人的实验成功率均高于鱼眼正上方位置，但鱼眼的前上方和后上方位置发射出的光刺激源对鲤鱼机器人的控制效果则相差不大，说明从不同角度发射的刺激光源产生的效果可以是不同的。
本研究利用红色和蓝色两种 LED 光源分别对鲤鱼机器人进行水下光控实验，尽管红色 LED 灯与蓝色 LED 灯的波长不一样，但我们发现两种不同光源均可对鲤鱼机器人的运动发挥控制作用，光控实验成功率均在 50% 以上（见表 1）。结果表明，应用本文光刺激装置及光控方法于暗光环境下在对鲤鱼机器人的水下运动控制方面具有可行性与可操作性。由此我们认为，光控方法是控制鲤鱼机器人水下运动的一种行之有效的手段。本文中 A 组、B 组、C 组红色 LED 灯光源的实验成功率有高于蓝色 LED 灯光源的趋势（见表 1），但两者之间差异没有统计学意义（P > 0.05），说明红色 LED 灯和蓝色 LED 灯对鲤鱼机器人的控制效果没有明显差异，两者均能有效控制鲤鱼机器人的运动，但其机制尚不清楚，有待于将来深入研究。
与电刺激脑运动区来控制动物机器人的方法相比，本文采用的光控方法不需开颅手术植入脑电极，只是把装置直接固定在动物颅骨上即可，所以可以避免因植入脑电极施加电刺激方法带来的脑组织损伤、出血、感染、水肿以及动物死亡等问题。
本文光刺激装置与光控方法在实际应用中，还可用其他波长的光源来更换，只需将原 LED 灯拆下，换上要测试的光源即可，拆装方便，操作简单，具有较强的灵活性和实用性。
应用光控方法实现对动物机器人运动的有效控制可以说是一个崭新的研究课题，目前用于动物机器人的光刺激装置还很少，现虽有无线光刺激装置[23]，但该装置主要是面向鼠等陆地动物使用，不适合用于像鲤鱼这样的水生动物。本文光刺激装置与光控方法可以用于暗光条件下水生动物机器人运动控制的测试与应用，具有一定的可操作性与实用性。在世界上水生动物机器人领域尚未见有关研究时，我们开展这项科学研究工作也是一次主动探索与积极尝试，这项研究工作将具有一定的科学研究意义和实际应用价值。
4. 结语
本文提出了一种用于鲤鱼水生动物机器人的光刺激装置及光控方法。本文光刺激装置及光控方法具有不损伤脑组织、可多角度刺激、提供不同波长光源、采用不同形式组合、运用方法灵活、操作简捷方便的特点。经暗光条件下的鲤鱼机器人水下红光与蓝光光控实验检验，应用本文光刺激装置及光控方法在暗光环境下对鲤鱼机器人水下运动的控制方面具有可行性与可操作性。由此我们认为，光控方法也是控制鲤鱼机器人水下运动的一种行之有效的手段，有望将来在一定条件下替代电刺激手段实现对水生动物机器人的人为控制。
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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