图4：大壁虎运动行为的调控
运动是所有动物赖以生存的基本能力。漫长的进化和生存竞争使许多动物具有特殊的运动本领，例如蜜蜂、苍蝇、蜘蛛、蝗虫、壁虎和某些甲虫能在各种表面自如运动。如果能够实现对这些具有特殊运动能力的动物运动有效控制，那么这些动物的特殊本领就会被人类加以利用，这将为社会带来巨大利益。同时，随着社会及经济的高速发展，人权、社会稳定和公共安全受到更多的关注，这也要求提供更多的特殊能力的动物和机器人代替人完成人所不能、人所不敢和对人有危险的工作。近年来，随着对神经科学、分子生物学、复杂适用系统等领域的深入研究，极大地推动了以自然为基础的人工智能机器人的发展。但是这些人工智能机器人跟真正的动物相比还有较大的差距，存在许多技术难题，如环境适应性、目标识别等，同时在运动灵活性，能量利用率等方面跟动物相比也有差距。然而，这些能力在最简单的生物体上都能实现，因此，越来越多的科学家认识到实现对动物运动的调控，开发人工智能跟动物智能相结合的生物机器人具有很高的可行性，同时该研究也可以促进神经科学的发展，促进人们对中枢运动调控的深入研究。目前，高级中枢是如何对运动进行调控，其调控相关的网络、神经回路都仍是未知之谜。我们研究所对大壁虎运动调控方面进行了一些研究，并取得了一定的成绩。
一、国内外研究背景
1997年，Holzer（法国）和Isao（日本）研究蟑螂的生物控制技术,将刺激电极安放在蟑螂的探须和尾须处，由计算机发出命令到蟑螂体上的刺激发生器，使其产生刺激电流，诱导蟑螂运动。通过改变电刺激强度和电极安放位置，就可以得到蟑螂不同的运动行为规律。掌握蟑螂的运动行为规律后，科学家就可以通过电刺激的方式，再利用传感器的实时信号反馈，实现对蟑螂运动行为的控制（图1）。美国纽约州立大学的Talwar博士领导的科研小组已成功实现了人工诱导大鼠的运动。他们在大鼠脑内植入3个刺激电极，分别位于大鼠两侧胡须感觉区和位于下丘脑视前外侧区的“奖赏中枢”。大鼠经训练之后，就能在遥控器的引导下，通过脑内刺激，控制大鼠按照人预定的路线爬行。这些大鼠就可能用于需要现代机器人无法胜任的各种搜救任务中（图2）。2005年，英国《每日邮报》报道，俄罗斯生物学家日前打造出了一种“海龟特工”（图3）。将芯片植入海龟体内，并用电极连接它的大脑，通过调节不同的振动频率，便可指挥其左右转、直行或止步，并爬到预定目的地。据称，这种“海龟特工”可秘密执行许多危险任务。
图1：机器蟑螂
图2：机器大鼠
图3：“海龟特工”
南京航空航天大学仿生材料与结构防护研究所选择具有特殊运动能力的大壁虎为研究对象。大壁虎，属爬行类动物，产于我国广西、云南、东南亚等地，体重大、运动速度快、灵活、负重能力强，几乎可以在任意表面迅速移动，因此有非常大的研究价值。我们在大壁虎脑内运动区埋入电极，通过刺激特异的核团可以成功地调控壁虎运动，如左右转等（图4）。同时，我们也开发出了无线刺激系统，用于壁虎运动的无线调控。
这些实验是通过特定的外加神经干预信号，或者加以训练，从而影响动物决定的一种控制方式，打开了科学想象的大门。动物运动的人工诱导需要生命、信息和机械科学的交叉，具有广泛的实用性，而且有很强的优势和生命力。
二、运动调控的神经生物学基础
自然进化赋予动物非常复杂的神经系统，即使最简单的动物的神经系统仍然是当今神经科学的研究课题。脑是一个由许许多多神经元组成的复杂网络，每个神经元在它的树突与胞体上有许许多多突触。一个小的神经元约有500多个突触，一个大的锥体细胞可多达2万个。神经元之间的信号通过突触来传递，每一个神经元都受到其他许多神经元的影响，同时也影响其他神经元的活动。因此神经系统是一个非线性、多层次的调控网络，可以说人脑是宇宙最复杂的系统，也是宇宙最大的奥秘。
动物的每一个动作都是脑内与运动相关神经元活动的结果，这些神经元活动的总和就是这个运动系统发出的运动命令。研究表明，大脑对运动控制是等级性组织的，越复杂越由高级中枢来组织。在简单水平上，感觉神经元在脊髓内与运动神经元形成突触，来介导简单反射，不需要高级中枢的参与。其次，脊髓和脑干的中间神经元网络组成中枢模式发生器，来协调多个运动群的相互作用。在这之上，在运动皮层、小脑和基底神经节中存在神经元监控这些低层次活动并产生新的运动模式。运动输出是连续更新的并为反馈所调节。通过基底神经节和小脑的负反馈和正反馈环路，对于皮层运动程序的时序和协调都是至关重要的。运动的平稳性和精确性是通过改变起作用的运动单位的数量和时序来实现的。
脑在执行某一高级功能时，并不是所有的脑区都参与其中。通常，只有一个或者几个脑区很活跃，也就是说这些脑区参与对该任务的调控。因此，尽管神经系统纵横交错，仍可以根据皮层中各部细胞和纤维的联系，将脑分为若干区，反应一定的心理功能。研究表明，每一个核团、脑区都有其主要功能，例如有的脑区负责运动调控，有的脑区与视觉相关等，这就给运动调控提供了依据，找到与特定运动相关的脑区是运动调控的关键（图5）。在脑内，大部分信息是以生物电的形式来传递的，皮层中控制运动区域的神经元兴奋并产生一定频率的电脉冲，这个电脉冲通过神经系统精确地传导至特定的肌肉纤维。当这些电脉冲到达神经－肌肉突触时，在肌纤维中产生终极电位，它的去极化将在肌纤维中产生一串动作电位，引起肌肉收缩，使肢体完成大脑所设定的动作。因此，通过外加特定的信号到相应的脑区和核团，就可以干预动物的运动行为。
三、动物运动调控的关键技术
动物运动的调控涉及到多学科的交叉。要实现对动物的运动调控必须考虑以下两点：
1. 运动调控脑区的精确定位
运动调控脑区的精确定位是进行动物运动调控必须要解决的关键问题之一。神经系统对运动调控的分级结构揭示运动干预可以从不同的层次进行。从外周神经层次我们成功实现了在浅麻醉状态下模拟神经放电活动制导壁虎肢体活动。而对于中枢神经系统我们可以从脊髓也可以从脑这一高级中枢的层次进行运动干预。即便是从高级中枢，对动物的运动干预也可以从不同的层次进行。机器大鼠的运动调控是利用了感觉反馈和奖赏机制，同时结合动物的条件反射进行神经刺激训练，通过周密的刺激训练建立起特定感觉与特定刺激信号的对应关系，从而实现运动行为的控制。其外部人工指令的直接作用部位之一便是感觉皮层（大脑的高级中枢）。我们的初步研究表明，通过对大壁虎运动相关脑区施以人工干预指令，可以诱导大壁虎做重复性较好的转向运动。如何找到运动相关脑区，以及如何做到重复定位是运动调控的关键。对要调控的脑区精确的空间定位，这需要借助精确适用的脑图谱和精密的脑立体定位装置来进行。无论是对神经电信号特征分析还是微电极的植入，确定并精确定位相关的神经核团是动物运动调控关键性的一步。因为只有准确的空间定位，才能实现准确地神经电信号特征分析，以便进行神经信息解码，也才有可能将控制信号准确的引入神经系统，达到调控运动的目的。我们现在已经建立了大壁虎脑立体定位的方法和装置，正在建立比较完全的用于指导大壁虎脑运动功能实验的脑图谱。
2．调控信号的确定和导入
调控信号的确定及其输入是进行运动调控的关键之一。确定调控信号可以通过对中枢运动相关特征信号进行采集、分析、模拟并导入。但这并不一定就能实现运动干预，可能还要对数据进行修改、优化等；也可以直接根据神经信号的特点进行逐步优化，找到更小、更灵敏的调控信号。其次，信号的输入离不开实现运动调控的直接接口——微电极。为了尽可能减少微电极植入对神经组织的损伤，提高信号采集的信噪比，确保信号可靠、高保真地引入到既定的脑区，我们必须制作生物兼容性好、柔韧性合适、绝缘良好、耐腐蚀、稳定性好的微电极。同时，为了实现长期高效地运动控制，必须进行微电极长期植入技术的研究。良好的微电极植入可以有效地减少对动物体的损伤，提高受控动物的存活时间，增加控制的可靠度和稳定性。
调控信号由微型多通道控制器发生并经微电极系统导入受控对象的指定脑区。微型多通道控制器是有效控制生物机器人的核心部件。它不仅要工作可靠而且要求体积小、重量轻、能耗低、效率高、传输远。为了实现可靠和较为精确的控制，该控制器应能对各项参数实时可调，以便能适应个体差异的不同动物。
中枢神经系统是一个复杂的系统，其自身的信号同人工运动干预信号是有相互影响的。亿万年的进化造就的动物神经系统是一个统一的精密网络，不仅有其固有的工作模式，而且有着极强的可塑性。真正意义的运动调控必然是不同工作环境下的可靠调控。所以，为使人工制导更容易、更可靠地实现，干扰刺激指令的有效性就显得格外重要。
四、动物运动调控的未来
随着相关学科的不断交叉、融合，通过对动物神经系统可靠的运动调控，必将促进生物机器人的不断发展。生物机器人与一般的工业机器人、仿生机器人相比，有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性。但是由于受到生物学、神经学、MEMS技术、控制技术、通信技术、传感技术以及数学方法等相关学科发展的制约，至今基本上仍处于实验室研制阶段。尤其是在克服生物疲劳性、适应性以及可靠实现预期运动行为等方面还不是十分理想，离实际应用还有相当长的一段距离。此外，生物机器人也不应仅局限于控制生物的运动行为，还应该研究如何通过生物的视觉、触觉和听觉来为人类服务。根据目前国内外研究现状，未来动物运动调控的发展，我们认为应包括以下几个方面。
1．深入研究动物运动控制的生物学基础，提高动物运动调控的精确性、稳定性及重复性
科学家们在动物运动调控的研究过程中发现，在生物体内植入电极后，即使生物可存活较长时间，但在多次重复刺激后，生物就会产生疲劳效应和适应性，这不利于执行长线任务。例如，在蟑螂体内植入电极后，控制蟑螂沿直线方向行走时，常常会在后期发生蟑螂走偏现象。另外，在控制老鼠运动行为时，科学家们发现，老鼠出于对危险的防范本能，在某种条件下，必须加大刺激强度，才能令老鼠实现某种运动行为；有时，即使加大刺激强度，也无法达到预期目标。这些事实表明，人们对生物运动行为的机理了解得还不十分透彻，还需要进一步探索生物运动系统的神经控制网络，深入研究生物运动的调控机理，以及神经信息的时空编码。神经科学研究揭示，即使是最简单的运动行为也需要中枢神经系统多个层次大量神经元的同步活动。而应用多通道记录技术可以实现神经元群活动的同步跨脑区记录，使得研究不同核团在行为过程中的时间和空间联系成为可能。神经元活动的多电极同步记录技术已成为研究神经信息编码机制的有效手段。通过对运动神经信息编码规律的深入研究，必将有效提高动物运动调控的精确性和稳定性。
2．加强多功能控制器的研发，提高运动控制的可靠性
受生物体态和生物负重能力的限制，控制生物运动行为的微控制器有严格的尺寸和重量要求。同时，在制备和植入微电极时，不仅要求生物相容性好，还要求与组织接触良好，而与周围组织绝缘。在有限的设计空间内，集信号发生器、传感器、微型摄像机和电源等元器件于一体的生物微机电系统（BioMEMS）将是未来发展的方向。
3．控制技术、软件技术及传感技术的发展
可靠实现生物的运动调控，需要多电极、多位点信号的同步或者时序输入，这需要更复杂、更精确的软件、硬件设计。同时，多道信号的优化本身就是一个非常复杂的问题，这也将是未来研究的重点。未来的生物机器人需要安装大量传感器，包括用于收集、传递生物各类感觉(如视觉、触觉等)的反馈信息的传感器和生物在执行特殊任务时携带的温度传感器、气味传感器等一些特殊用途的传感器。目前市面上出售的传感器精度还很不理想，远远达不到动物的感觉精度，国外精度高的传感器价格又非常昂贵。因此，发展传感器技术是研制开发生物机器人的基础。
随着生物学和神经科学的发展，相信科学家会找到更有效的研究手段和控制策略，实现生物运动行为的可靠调控。同时，这种研究也将加深人们对神经系统的认识，促进神经科学的发展。
作者简介：
戴振东：
南京航空航天大学高新技术研究院仿生材料与结构防护研究所所长、教授、博士生导师；
孙久荣：
北京大学生命科学院教授，博士生导师；
王文波：
南京航空航天大学在读博士；
谭 华：
南京航空航天大学高新技术研究院仿生材料与结构防护研究所博士、讲师。