微型生物傳感器在機器人創(chuàng )新中的應用

聲源定位、分離聲源、分離后的聲音識別是機器人聽(tīng)覺(jué)的三個(gè)主要功能。

它的聽(tīng)覺(jué)性能主要取決于它在噪聲環(huán)境下的實(shí)時(shí)性和魯棒性，以及對各種機器人和硬件配置的靈活性。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，機器人要“聽(tīng)到”聲音，就需要麥克風(fēng)陣列把聲音信號轉換成電子信號，然后通過(guò)電子信號的處理來(lái)獲取聲音中包含的信息。

制造機器人聽(tīng)覺(jué)，當然，說(shuō)的容易做的難。

它的聽(tīng)覺(jué)系統需要感知、機械、控制等因素的協(xié)調配合，可謂涵蓋了多門(mén)學(xué)科，要想做到像人耳一樣(聽(tīng)覺(jué)的類(lèi)型、內容、來(lái)源、距離、方向等等都可以聽(tīng)得清楚)是很難的。

既然生物耳朵是很難模仿的，那么直接將生物耳朵“接”到機器人上，可行嗎？在經(jīng)歷了數億年的進(jìn)化之后，昆蟲(chóng)已經(jīng)獲得了自然界中一些最有效能和力量的感受器，如果將它們當作傳感器來(lái)看待的話(huà)，與許多人工感受器相比，這種感受器的優(yōu)點(diǎn)就是體積小、重量輕、耗電少，而且可以適應變化的環(huán)境。

特別是在聽(tīng)覺(jué)方面，昆蟲(chóng)的聽(tīng)覺(jué)傳感器經(jīng)過(guò)多次進(jìn)化，已能發(fā)揮場(chǎng)景分析、溝通等功能，具有很高的多樣性，具體而言：

形態(tài)學(xué)上，它的耳朵可以是近場(chǎng)敏感的觸角或遠場(chǎng)敏感的鼓膜。

功能性的，可以是窄帶過(guò)濾器(蚊子)或寬帶傳感器(夜蛾)。

神經(jīng)系統治療中，干預神經(jīng)元(雄蚊耳)可為1個(gè)(夜蛾)或1000個(gè)(雄蚊耳)。

而且沙漠蝗蟲(chóng)的耳朵比較敏感，所覆蓋的頻率范圍較廣，可以作為從神經(jīng)系統中讀取電生理信息的良好模型。

迄今為止，還沒(méi)有任何研究表明生物混合機器人平臺可以通過(guò)生物傳感器對聲音作出響應。添加到機器人平臺上的生物傳感器有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是它的行為、能力可與天然蝗耳相比較；二是它可與純技術(shù)設備(麥克風(fēng)陣列)相比較。將蝗蟲(chóng)耳朵“接”到機器人上的研究小組該怎么做？

簡(jiǎn)單地說(shuō)，Ear-Chip是一種蝗蟲(chóng)耳片，它可以用作機器人的聽(tīng)覺(jué)傳感器。

這一研究小組利用了微生理系統(MPS，也稱(chēng)為器官芯片)的最新進(jìn)展，即“人體器官芯片技術(shù)”。

人類(lèi)器官芯片是一項新興的前沿技術(shù)，它是一種以芯片為載體，以玻片大小構建起來(lái)的器官生理微系統，它包括器官微環(huán)境的關(guān)鍵元素，如活體細胞、組織界面、生物流體等，因此可以在體外模擬人體組織器官的主要結構和功能特征以及器官之間的聯(lián)系。人類(lèi)器官芯片技術(shù)的背后是多學(xué)科交叉融合的結果，2016年被列為十大新興技術(shù)之一。

事實(shí)上，Ear-Chip的設計可以讓蝗蟲(chóng)耳朵長(cháng)時(shí)間的存活，同時(shí)也保證了它可以放在一個(gè)移動(dòng)的小型機器人平臺(如圖a所示)。

值得注意的是，該研究小組在SolidWorksCAD軟件中設計了芯片，然后用生物相容性牙科透明樹(shù)脂進(jìn)行3D打印，最終成功制造出一種持久耐用的微型感應裝置。

在此基礎上，研究小組提出了模塊化組織支持和自定義信號分析算法。

與此同時(shí)，Ear-Bot裝備有自定義電極，可以測量耳朵的電生理反應，并將其傳送給機器人。正如上圖b所示，機器人還集成了處理信號和運行不同算法所需的所有電子設備(包括前置放大器，電路板等)。

除自定義芯片Ear-Chip和電極外，這個(gè)機器人平臺還包括一個(gè)信號放大器，一個(gè)控制器和一個(gè)信號處理系統來(lái)響應來(lái)自不同方向和距離的聲音，具體效果是什么？

試驗顯示，Ear-Bot對聲音的反應類(lèi)似于用麥克風(fēng)作為輸入所表現出來(lái)的反應。

蝗蟲(chóng)的耳朵通過(guò)拍打它們的手來(lái)識別聲音，把聲音轉換成電子信號，然后把信號傳給機器人的電生理測量系統、控制器和信號處理系統。

值得注意的是，Ear-Bot系統可以區分馬達和拍手聲，這是一種混合噪音。也就是蝗蟲(chóng)的耳朵對各種頻率都比較敏感，能夠對真實(shí)的聲音作出反應。很明顯，Ear-bot可以對來(lái)自不同方向和距離的聲音作出反應。

對自然現象和規律，我們應該挖掘得更深，利用得更好，我們證明的這個(gè)原理實(shí)際上也可以用在其它感官上，比如氣味、視覺(jué)和觸覺(jué)上。舉例來(lái)說(shuō)，某些動(dòng)物擁有驚人的發(fā)現爆炸物，藥物的能力，也許我們可以使用生物傳感器來(lái)制造一個(gè)擁有生物感覺(jué)器官的機器人。

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