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微型生物传感器在机器人创新中的应用

时间:2021-04-08 点击次数:

声源定位、分离声源、分离后的声音识别是机器人听觉的三个主要功能。

它的听觉性能主要取决于它在噪声环境下的实时性和鲁棒性,以及对各种机器人和硬件配置的灵活性。

简单地说,机器人要“听到”声音,就需要麦克风阵列把声音信号转换成电子信号,然后通过电子信号的处理来获取声音中包含的信息。

制造机器人听觉,当然,说的容易做的难。

它的听觉系统需要感知、机械、控制等因素的协调配合,可谓涵盖了多门学科,要想做到像人耳一样(听觉的类型、内容、来源、距离、方向等等都可以听得清楚)是很难的。


微型压式传感器LFC-08

既然生物耳朵是很难模仿的,那么直接将生物耳朵“接”到机器人上,可行吗?在经历了数亿年的进化之后,昆虫已经获得了自然界中一些最有效能和力量的感受器,如果将它们当作传感器来看待的话,与许多人工感受器相比,这种感受器的优点就是体积小、重量轻、耗电少,而且可以适应变化的环境。

特别是在听觉方面,昆虫的听觉传感器经过多次进化,已能发挥场景分析、沟通等功能,具有很高的多样性,具体而言:

形态学上,它的耳朵可以是近场敏感的触角或远场敏感的鼓膜。

功能性的,可以是窄带过滤器(蚊子)或宽带传感器(夜蛾)。

神经系统治疗中,干预神经元(雄蚊耳)可为1个(夜蛾)或1000个(雄蚊耳)。

而且沙漠蝗虫的耳朵比较敏感,所覆盖的频率范围较广,可以作为从神经系统中读取电生理信息的良好模型。

迄今为止,还没有任何研究表明生物混合机器人平台可以通过生物传感器对声音作出响应。添加到机器人平台上的生物传感器有两个优点:一是它的行为、能力可与天然蝗耳相比较;二是它可与纯技术设备(麦克风阵列)相比较。将蝗虫耳朵“接”到机器人上的研究小组该怎么做?

简单地说,Ear-Chip是一种蝗虫耳片,它可以用作机器人的听觉传感器。

这一研究小组利用了微生理系统(MPS,也称为器官芯片)的最新进展,即“人体器官芯片技术”。

人类器官芯片是一项新兴的前沿技术,它是一种以芯片为载体,以玻片大小构建起来的器官生理微系统,它包括器官微环境的关键元素,如活体细胞、组织界面、生物流体等,因此可以在体外模拟人体组织器官的主要结构和功能特征以及器官之间的联系。人类器官芯片技术的背后是多学科交叉融合的结果,2016年被列为十大新兴技术之一。

事实上,Ear-Chip的设计可以让蝗虫耳朵长时间的存活,同时也保证了它可以放在一个移动的小型机器人平台(如图a所示)。

值得注意的是,该研究小组在SolidWorksCADApp中设计了芯片,然后用生物相容性牙科透明树脂进行3D打印,最终成功制造出一种持久耐用的微型感应装置。

在此基础上,研究小组提出了模块化组织支撑和自定义信号分析算法。

与此同时,Ear-Bot装备有自定义电极,可以测量耳朵的电生理反应,并将其传送给机器人。正如上图b所示,机器人还集成了处理信号和运行不同算法所需的所有电子设备(包括前置放大器,电路板等)。

除自定义芯片Ear-Chip和电极外,这个机器人平台还包括一个信号放大器,一个控制器和一个信号处理系统来响应来自不同方向和距离的声音,具体效果是什么?

试验显示,Ear-Bot对声音的反应类似于用麦克风作为输入所表现出来的反应。

蝗虫的耳朵通过拍打它们的手来识别声音,把声音转换成电子信号,然后把信号传给机器人的电生理测量系统、控制器和信号处理系统。

值得注意的是,Ear-Bot系统可以区分马达和拍手声,这是一种混合噪音。也就是蝗虫的耳朵对各种频率都比较敏感,能够对真实的声音作出反应。很明显,Ear-bot可以对来自不同方向和距离的声音作出反应。

对自然现象和规律,大家应该挖掘得更深,利用得更好,大家证明的这个原理实际上也可以用在其它感官上,比如气味、视觉和触觉上。举例来说,某些动物拥有惊人的发现爆炸物,药物的能力,也许大家可以使用生物传感器来制造一个拥有生物感觉器官的机器人。

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