微型生物傳感器在機器人創(chuàng)新中的應(yīng)用

聲源定位、分離聲源、分離后的聲音識別是機器人聽覺的三個主要功能。

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

簡單地說，機器人要“聽到”聲音，就需要麥克風(fēng)陣列把聲音信號轉(zhuǎn)換成電子信號，然后通過電子信號的處理來獲取聲音中包含的信息。

制造機器人聽覺，當(dāng)然，說的容易做的難。

它的聽覺系統(tǒng)需要感知、機械、控制等因素的協(xié)調(diào)配合，可謂涵蓋了多門學(xué)科，要想做到像人耳一樣(聽覺的類型、內(nèi)容、來源、距離、方向等等都可以聽得清楚)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(shù)億年的進化之后，昆蟲已經(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(dāng)作傳感器來看待的話，與許多人工感受器相比，這種感受器的優(yōu)點就是體積小、重量輕、耗電少，而且可以適應(yīng)變化的環(huán)境。

特別是在聽覺方面，昆蟲的聽覺傳感器經(jīng)過多次進化，已能發(fā)揮場景分析、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敏感的觸角或遠場敏感的鼓膜。

功能性的，可以是窄帶過濾器(蚊子)或?qū)拵鞲衅?夜蛾)。

神經(jīng)系統(tǒng)治療中，干預(yù)神經(jīng)元(雄蚊耳)可為1個(夜蛾)或1000個(雄蚊耳)。

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

迄今為止，還沒有任何研究表明生物混合機器人平臺可以通過生物傳感器對聲音作出響應(yīng)。添加到機器人平臺上的生物傳感器有兩個優(yōu)點：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(shè)備(麥克風(fēng)陣列)相比較。將蝗蟲耳朵“接”到機器人上的研究小組該怎么做？

簡單地說，Ear-Chip是一種蝗蟲耳片，它可以用作機器人的聽覺傳感器。

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

人類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(gòu)建起來的器官生理微系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)和功能特征以及器官之間的聯(lián)系。人類器官芯片技術(shù)的背后是多學(xué)科交叉融合的結(jié)果，2016年被列為十大新興技術(shù)之一。

事實上，Ear-Chip的設(shè)計可以讓蝗蟲耳朵長時間的存活，同時也保證了它可以放在一個移動的小型機器人平臺(如圖a所示)。

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

在此基礎(chǔ)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，Ear-Bot裝備有自定義電極，可以測量耳朵的電生理反應(yīng)，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(shè)備(包括前置放大器，電路板等)。

除自定義芯片Ear-Chip和電極外，這個機器人平臺還包括一個信號放大器，一個控制器和一個信號處理系統(tǒng)來響應(yīng)來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(yīng)類似于用麥克風(fēng)作為輸入所表現(xiàn)出來的反應(yīng)。

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

值得注意的是，Ear-Bot系統(tǒng)可以區(qū)分馬達和拍手聲，這是一種混合噪音。也就是蝗蟲的耳朵對各種頻率都比較敏感，能夠?qū)φ鎸嵉穆曇糇鞒龇磻?yīng)。很明顯，Ear-bot可以對來自不同方向和距離的聲音作出反應(yīng)。

對自然現(xiàn)象和規(guī)律，我們應(yīng)該挖掘得更深，利用得更好，我們證明的這個原理實際上也可以用在其它感官上，比如氣味、視覺和觸覺上。舉例來說，某些動物擁有驚人的發(fā)現(xiàn)爆炸物，藥物的能力，也許我們可以使用生物傳感器來制造一個擁有生物感覺器官的機器人。

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