新浪博客

把原始创新科技嫁接到现代高新科技，让智能机器人设计结出累累硕果（二）

2023-04-09 14:58阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1736461210

“电子人”也叫半机器人，是控制论的生物体（大致和仿生学生命体同义-意思是既是生命的又是电子的）一词。一个电子人的诞生意味着将人的神经细胞肌骨骼和其他系统与电装置产生联系，使人体的各项功能得到提高或是延缓。从某种意义上说，每一个戴眼镜的戴助听器的或是拄拐的杖的都可以认作半机械人。所有的这些装置都在某些程度上提高了人体的功能。为了简单的协助装置与真正的半机械人分开来，大多数理论希望这些装置被连成一个整体。也就是永久联系起来，并通过复杂的关系互助发挥作用。如帮助耳聋的人获取一点点听力的耳蜗。与耳朵就是统一的整体；能够直接对肌肉几次移动甚至神经信号做出反应的义肢视作半机械人靠拢。 沃维克在解释给不同人之间建立起神经上的联系时，在给《新报》信上说：“当你感觉到疼痛时，它是不是比我们疼痛更强烈。当我认为这件东西是红色的时候，你是不是也同样这样想？”
被沃维克称作“半机械人1、0”的那种无线电移植只是一个简单的小手术。除了有可能感染伤口外，并不会给植入者带来任何危险。而相比较而言，“半机械人2、0”的程序则不那么稳定。要安装它必须先找到沃维克手臂的中心神经。再将它变成1千个个人电极的排列组合。每个电极直径仅有几毫米。如果它能顺利工作的话沃维克与其它研究者们将能够同时控制20个以下的神经信号，并使它们部分地扩大，电所产生的推动力将会对植入物做出反应，使它们发出神经信号。这样一来，植入者便有所感觉。例如沃维克的大拇指就会突然弯曲。
这一过程在以前从未有人试过。由于植入物能够穿越神经细胞，它也会具有一定的危险。2002年3月14日，沃维克前往牛津的拉德克里弗医院，外科医生皮特泰迪在沃维克的左腕上割了一道2英寸长5厘米深的口子，接着便探测到了位于中央的神经。当时这根神经正向手臂发送一种类似电击的感觉，并在手臂上呈升趋势。在找到这根神经后，泰迪医生又在沃维克的手臂上开了一道口子，在两个口子之间放了一根叫撬杆的“塑料管”（它能将神经植入物与沃维克手臂中电线合成一个连
接器）也就是沃维克所说的“交叉射击”。在完成这些艰巨的任务之后，便大功告成了。物体在植入神经之后慢慢开始起作用——但在进入神经之前却突然停下。这意味着压缩空气进入了影响了正常的工作。费了九牛二虎之力，终于成功植进去。最后泰迪医生将他的手臂伤口缝合起来。
两个星期后研究人员检查每个神经信号的渠道时，发现沃维克手臂里的20个电极正在搜寻沃维克的神经信号。这使他们大为欣慰。而后两个星期是他们不厌其烦地让沃维克的手指做各种各样的动作，以此观察哪块肌肉与特定神经信号联系起来。这点很困难，因为一块肌肉往往包含几个相互交叠的信号。不过无论如何，沃维克现在还是半机械人条件。实验前后，英国美国媒体都广泛报道了他的故事。
接下来就要看看沃维克体内这些特殊的神经信号能否适应外界的装置。研究者建立了一个能够将神经信号转化为数据的分界点。其中这种数据信号则受电脑程序的控制。最终沃维克找帮通过简单的手指移动控制电脑显示的办法。更重要的是他还向人们演示只要稍微移动一下手指，就能轻松地驾驶中轮椅，并让它自由转向。这对那些重度瘫痪的病患者有十分现实的意义。
另一项实验就是通过平台的移动，控制一个由皮特凯博德发明的有关节连接的机器人。当沃维克把手握成拳头时，信号通过网路传递到机器人的手部。机器人收到信号后也做出同样的动作。这个直接受远程控制的神经系统向人们展示出许多可能性。如医生能够将手和机器人的手臂建立联系。在此基础上实施远程手术。
二十多年过去了，现在我们的科技已实现了智能家居，物联网、大数据和远程控制手术。但是沃维克的半机械人手臂作为置入型神经科研技术基本停滞或进展很慢。按现在的科技条件，纳米与石墨烯富勒烯等光导纤维、柔性带电塑料、以及纳米芯片及微型传感器，完全可以在残障人士的残肢末端上连接机械假肢，通过微信号利用意识驱动传导控制人体的意愿动作。
我们再看看国外纳米型机械人的发展状况。其实体内纳米机械人用于体外未尝不可。
对于毫米尺度的机器人设计方法文献中描述的体外机器人设计方法相同。（这正符合人体使用残肢神经驱动的细微动作）。其实这对于月球火星探测器机器人设计开发也是一个思路。
首先是对姿势和互动（外科医生-机器人-病人、机器人--环境）的表征，从而确定系统的自由度数目，工作空间、速度、力量、精度、等参数。基本上说。这一步需要使用一个力传感器和一个光学或磁跟踪系统来收集数据，以实现对力和运动的进一步分析。
随后是选择一个动力学结构结构及驱动原理，应该满足来自表征骤和其他限制。（如可消毒性、与电脑断层和扫描（CT）或核磁共振成像（MRI）的兼容性和安全）。
*最终是合成一个控制机器人以及对人机界面（HMI）进行定义。（设计相关的主要困难包括以下
1、在发射功率，设备的尺寸和运动范围方面的规格限制；2、包括电线和流体管道的通道的小型化和整合；3、设备的可消毒。4、安全性等这些都是可以从中借鉴的。
驱动与传输
用于体内机器人的驱动器主要限制是它们的生物相容性和安全性。（我们可从沃维克的实验找出了为肢残障患者安装纳米型微型机械设备安全可控性的保障思路）。较高的输出力/力矩以及对于自主性来说的低功耗。目前许多驱动原理已经被探索用于驱动毫米尺度机器人，实现世界中使用传统原理（液压、电的、或气动的）。不太传统的原理（例如与MRI和CT兼容的超声和压电驱动器）以及于活性材料的更为先进的原理。后者是指那些能够将输入的能量与电的、热的、化学的等转化成机械运动的驱动原理。使得驱动功能嵌入到材料中成为可能。最广泛应用于体内机器人的活性材料是形状记忆合金（SMA）和电活性聚合物（EAP）。对于SMA来说，活性原理是将热能转变成为机械能。而对于EAP来说是将电转变机械能。使用最多的是SMA是由镍和钛组成NITI。它有着有趣的生物兼容性。在EAP中，两类材料被用于产生较大的形变：在电场或库伦作用下收缩的电聚合物和在离力位移下收缩的离子聚合物。例如离子型导电聚合物薄膜。
　　驱动原理影响着机器人的设计。尤其是当电驱动器被远程控制安装的时候。对于具有有限数目的刚性连接和离散关节的机器人来说，功率的传输可通过以下方式完成。
* 绳索（纺织或钢丝）或金属带：优势包括紧凑、无摩擦、简洁性前提下获得。对于连续型机器人来说。设计更为繁琐。已探索出一些技术上的可能性。如MTI超弹性线或弹簧/线圈设计出来的原型机。能够实现显著的具有或多或少的小曲率半径的角偏转。
（1）通过绳索传输功率的案例：通过去耦线驱动机制，某机器的环关节概念设计通过刚性连接机制传输功率，用于腹腔镜的4个自由度并联运动的尖端。
（2）用于连续型机器人的分布或柔性关节案例：利用球关节和椎骨的组装设计一个镊子专把柄。竹节式、链条式、椎骨式或皮皮虾式
传感系统
在这个尺度下，体内机器人力传感依旧是个问题。（如果从借鉴体内手术机器人角度看，半机械人和仿真机器人其他无关紧要。）从设计角度看，力传感器的尺寸必须很小，容易安装。包括电线整合与生物相容，可消毒或一次性的。因此需要低成本可靠性。这些都提高设计的难度。通常来说。里的范围在几微牛（探测和操纵组织）到50N之间。对于微关节操作来说则更高更灵敏为0、1以上牛。
* 从操作角度来看，使用力传感器要求进行一遍相对复杂和耗时的校准程序。力的数据必须被合理地处理，从而过滤测量噪声，补偿飘移等它们还必须被整合到机器人的控制架构中。这对于目前大部分机器人控制器来说是不可能的。然而，这里回忆一下机器人对力传感的重要性。
A 以建模和设计规格为目的，测量设备与组织之间的相互作用力。
B 为了在联合操纵模式下驱动设备，或将接触力伺服到一个期望的设定值，或补偿生理运动。在控制回路中相互作用力提供反馈
C 为外科医生提供触觉反馈。有人指出，MIS中一个关键因素是外科医生感官能力的严重减少。例如用于表征组织硬度的手指触诊或估计血管中的脉动流。
D 每当在设备与组织之间被施加过度的力时，通过停止机器人而提高安全性。
这些对于一个体外机器人或仿真机器人来说，甚至一个到外星球地面工作的机器人来说，也是十分重要的。带有传感器的仿真机器人的感觉触觉对人类不熟悉的物体的感觉都是个神奇的信息。而对于一位残障人士的假肢触觉信息更是重要。
控制系统如在客观世界控制可用3种模式完成。自主模式、遥控模式和联合操纵模式。但在最后一种毫米尺度下操作性较差。对体内机器人来说彻底不可能用。而相对我们对肢残障的义肢和边缘安装联合操纵模式还是问题不大。总之我们设计人工智能半机械人和智能化假肢来说，完全可以利用微电子芯片、传感器等。可以采用健康完整的其他部位去操作假肢和半机械人，或是提供多种程序模式。因此所谓机器人不一定非使用钢铁金属器件不可。不一定必须使用大功率耗能电力工程机械。有些微动作耗能很少，有些只需要借力打力，有些需要使用巧劲。而仿真机器人如果借用力的支撑点，运用舒张压攒足了力气就会爆发，液压力也是需要冲压，而电压聚集也会使机器人威力无穷。所谓“好钢用在刀刃上”，所以这三种积攒功能力量的智能系统也是未来柔性机器人的气压系统液压系统和电力电容系统连接机器人的“细胞组织”需要设计打造的指标。

　　　　　

我的更多文章

下载客户端阅读体验更佳

APP专享