蜜蜂脑视叶调控机理及其昆机飞控系统研究
发布时间：2022-01-27 00:40
蜜蜂具有优良的飞行持续性与机动灵活性,通过使用MEMS（Micro Electromechanical System）背包对蜜蜂进行动态预设,进而运用其生物能力的特殊系统称为半生物蜜蜂机器人。电刺激视叶是蜜蜂机器人有效控制方式之一,但其神经机理研究及小型化背包设计仍面临较大难题。本文以嵌入式视叶调控的蜜蜂（Apis mellifera ligustica）为研究目标,对行为调控的神经机理进行揭示,同时对轻型MEMS背包展开设计,通过采用背部腹侧为昆机结合位点,最终对蜜蜂机器人的飞行控制进行验证。针对蜜蜂机器人控制机理问题,通过开展视叶电生理实验,首次发现蜜蜂视叶中存在视觉诱发电位,分别对光线的亮暗变化做出正负电位响应,且电位幅值与光强呈正相关。通过钙离子荧光成像,发现光照下视叶的神经网络具有更强的电生理活动。为了揭示视叶对光线深入的响应机理,引入了神经元离子活动理论来构建电位响应模型,通过对模型分析发现,电刺激可以影响视觉神经元动作电位的发放,进而造成视觉假象,诱导蜜蜂飞行。针对轻型MEMS背包设计问题,采用红外通讯与PIC单片机为主体进行整体系统构建。首先基于结构、功能、重量因素对各...
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
蜜蜂大脑核磁共振（NMR）（Haddadetal.,2004）
第一章绪论4研究较为成熟，本节将同样以蜜蜂为例，对昆虫视觉系统的结构与功能进行描述，同时简要介绍基于光流运动的视觉输入对飞行调控的实验研究。蜜蜂视觉系统中拥有两个复眼和三个单眼。复眼由数千只单眼构成，其中工蜂含5000-6000只，蜂王含4000只，雄蜂含10000只（Janderetal.,2002;Ogawaetal.,2017）。在一些视动行为响应的实验中已经发现，通过光流控制飞行速度、高度与距离，和复杂视觉相关学习与记忆等能力都与复眼功能相关（Bairdetal.,2005;Dyhretal.,2010;Ibbotsonetal.,2017;Howardetal.,2019）。在视觉信息被整合到高级神经中枢之前，需要视叶中的神经节层、视髓质层和视小叶对视觉信息进行分离和传递（Yamaguchietal.,2008）。神经节层位于视网膜与视髓质层之间，负责传递视网膜接收的光信息。髓质是蜜蜂视觉神经系统中神经元数量最多的脑区，光感受器S、M和L（短波长、中波长和长波长）的颜色信息通过髓质的整理传至视小叶（Peitschetal.,1992），同时髓质还具有整合昼夜节律和导航的能力（Zelleretal.,2015）。视小叶与视髓质的内部结构类似，由髓质投递的视觉信息经过视小叶的处理投递至前视神经节，最后传递至高级神经中枢（Motaetal.,2011）。图1-2蜜蜂视觉通路示意图（Dyeretal.,2011）蜜蜂具有优异的视觉感官，最初基于蜜蜂视觉的行为调控实验起源于澳大利亚国立大学的张少吾教授和M.V.Srinivasan教授，该研究团队发现蜜蜂借助外
中国地质大学（北京）工程硕士学位论文5部环境的光流信息实现飞行导航。蜜蜂可以通过两只复眼的图像移动速度来辨别飞行速度及方向，这种图像运动称为光流（opicflow）。基于实验发现蜜蜂可以通过光流控制飞行速度（Bairdetal.,2005），并且蜜蜂在经过通道时会保持两侧光流运动的角速度为300°/s，同时蜜蜂会通过腹侧方向的光流信息来判断与地面的距离。通常蜜蜂在265°/s的腹侧光流角速度所对应的高度飞行，当需要降落时，这一角速度变为500°/s，随着蜜蜂的飞行高度降低不断减速，最终缓慢降落（Srinivasanetal.,2000;Bairdetal.,2006;Portellietal.,2010;Srinivasan,2011）。图1-3双侧蜜蜂光流刺激图（Ibbotsonetal.,2017）1.3昆机系统研究现状最初的昆机系统研究出现在20世纪90年代，主要集中在采集昆虫活动时行为运动参数及肌肉神经系统电生理数据上，借此技术所研究的运动动力学称之为无线电遥测技术（radio-telemetry）（Kutschetal.,1993,2003）。随着借助多种新型材料以记录和刺激昆虫神经及肌肉系统的微机电系统（micro-electromechanicalsystem，MEMS）被制作出来，使得昆虫体内植入式设备控制昆虫运动成为可能。1.3.1国外研究现状国外对于昆虫机器人的研究投入精力较大，涉足范围较广，其中以美国和日本是典型的代表，主要集中在以蟑螂、飞蛾、甲虫等物种为载体的研究上（HolzerandShimoyama,1997;PinesandBohorquez,2006;Bozkurtetal.,2009a,2009b,2009c;Satoetal.,2008,2009,2010）。此外，研究人员也发现蜜蜂与果蝇的飞行行
【参考文献】：
期刊论文
[1]脑机接口技术研究综述[J]. 尧俊瑜,邬长杰. 现代计算机(专业版). 2017(27)
[2]印刷电子发展回顾与展望[J]. 崔铮. 科技导报. 2017(17)
[3]蜜蜂的感觉神经系统[J]. 丁桂玲. 中国蜂业. 2014(09)
[4]昆虫神经系统和神经干细胞的研究进展[J]. 高洪燕,赵二虎,崔红娟,向仲怀. 蚕业科学. 2012(03)
[5]昆虫机器混合系统研究进展[J]. 郑能干,陈卫东,胡福良,鲍莉,赵慧霞,王珅,郑筱祥,吴朝晖. 中国科学:生命科学. 2011(04)
[6]动物机器人的研究现状与发展[J]. 王文波,戴振东. 机械制造与自动化. 2010(02)
[7]恒流多通道动物机器人遥控刺激系统的研制[J]. 谢合瑞,郭策,戴振东. 现代电子技术. 2009(04)
[8]仿生机器人的研究进展[J]. 吉爱红,戴振东,周来水. 机器人. 2005(03)
硕士论文
[1]红外遥控接收芯片的设计[D]. 杨逸纯.华侨大学 2017
[2]前视结节电刺激对熊蜂飞行控制的研究[D]. 薛磊.浙江大学 2015
本文编号：3611421
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
蜜蜂大脑核磁共振（NMR）（Haddadetal.,2004）
第一章绪论4研究较为成熟，本节将同样以蜜蜂为例，对昆虫视觉系统的结构与功能进行描述，同时简要介绍基于光流运动的视觉输入对飞行调控的实验研究。蜜蜂视觉系统中拥有两个复眼和三个单眼。复眼由数千只单眼构成，其中工蜂含5000-6000只，蜂王含4000只，雄蜂含10000只（Janderetal.,2002;Ogawaetal.,2017）。在一些视动行为响应的实验中已经发现，通过光流控制飞行速度、高度与距离，和复杂视觉相关学习与记忆等能力都与复眼功能相关（Bairdetal.,2005;Dyhretal.,2010;Ibbotsonetal.,2017;Howardetal.,2019）。在视觉信息被整合到高级神经中枢之前，需要视叶中的神经节层、视髓质层和视小叶对视觉信息进行分离和传递（Yamaguchietal.,2008）。神经节层位于视网膜与视髓质层之间，负责传递视网膜接收的光信息。髓质是蜜蜂视觉神经系统中神经元数量最多的脑区，光感受器S、M和L（短波长、中波长和长波长）的颜色信息通过髓质的整理传至视小叶（Peitschetal.,1992），同时髓质还具有整合昼夜节律和导航的能力（Zelleretal.,2015）。视小叶与视髓质的内部结构类似，由髓质投递的视觉信息经过视小叶的处理投递至前视神经节，最后传递至高级神经中枢（Motaetal.,2011）。图1-2蜜蜂视觉通路示意图（Dyeretal.,2011）蜜蜂具有优异的视觉感官，最初基于蜜蜂视觉的行为调控实验起源于澳大利亚国立大学的张少吾教授和M.V.Srinivasan教授，该研究团队发现蜜蜂借助外
中国地质大学（北京）工程硕士学位论文5部环境的光流信息实现飞行导航。蜜蜂可以通过两只复眼的图像移动速度来辨别飞行速度及方向，这种图像运动称为光流（opicflow）。基于实验发现蜜蜂可以通过光流控制飞行速度（Bairdetal.,2005），并且蜜蜂在经过通道时会保持两侧光流运动的角速度为300°/s，同时蜜蜂会通过腹侧方向的光流信息来判断与地面的距离。通常蜜蜂在265°/s的腹侧光流角速度所对应的高度飞行，当需要降落时，这一角速度变为500°/s，随着蜜蜂的飞行高度降低不断减速，最终缓慢降落（Srinivasanetal.,2000;Bairdetal.,2006;Portellietal.,2010;Srinivasan,2011）。图1-3双侧蜜蜂光流刺激图（Ibbotsonetal.,2017）1.3昆机系统研究现状最初的昆机系统研究出现在20世纪90年代，主要集中在采集昆虫活动时行为运动参数及肌肉神经系统电生理数据上，借此技术所研究的运动动力学称之为无线电遥测技术（radio-telemetry）（Kutschetal.,1993,2003）。随着借助多种新型材料以记录和刺激昆虫神经及肌肉系统的微机电系统（micro-electromechanicalsystem，MEMS）被制作出来，使得昆虫体内植入式设备控制昆虫运动成为可能。1.3.1国外研究现状国外对于昆虫机器人的研究投入精力较大，涉足范围较广，其中以美国和日本是典型的代表，主要集中在以蟑螂、飞蛾、甲虫等物种为载体的研究上（HolzerandShimoyama,1997;PinesandBohorquez,2006;Bozkurtetal.,2009a,2009b,2009c;Satoetal.,2008,2009,2010）。此外，研究人员也发现蜜蜂与果蝇的飞行行
【参考文献】：
期刊论文
[1]脑机接口技术研究综述[J]. 尧俊瑜,邬长杰. 现代计算机(专业版). 2017(27)
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[8]仿生机器人的研究进展[J]. 吉爱红,戴振东,周来水. 机器人. 2005(03)
硕士论文
[1]红外遥控接收芯片的设计[D]. 杨逸纯.华侨大学 2017
[2]前视结节电刺激对熊蜂飞行控制的研究[D]. 薛磊.浙江大学 2015
本文编号：3611421
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