脑机融合的混合智能系统：原型及行为学验证研究

发布时间：2017-12-18 18:17

  本文关键词：脑机融合的混合智能系统：原型及行为学验证研究

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【摘要】：机器智能和生物智能在不同的应用领域具有各自的优势。机器智能在海量存储、精确计算和快速搜索等方面具有优势,而生物智能擅长复杂环境感知、知识学习和推理想象等。混合智能系统同时包含生物智能和机器智能,旨在综合利用两者各自的优势,以克服单一智能无法解决的难题。随着脑机接口技术的进步,以及认知科学、计算机和材料学等多学科理论与技术的涌入,生物与机器之间的连接将会越来越紧密,智能融合的程度也会越来越深。混合智能系统是脑机接口技术发展的必然趋势,也是实现智能增强的一种新途径。其在医疗康复、生活娱乐、国防安保等领域具有重大的应用潜力。目前对脑机接口的交互范式和脑信号解码算法的研究虽较为普遍,但对脑机融合的混合智能系统的研究还比较缺乏。本文以人、大鼠和机器三者为研究对象,以我们课题组提出的混合智能的系统框架为指导,通过由机到脑、由脑到机,以及由脑到脑三种脑-机信息交互方式,逐步构建了四种生物智能与机器智能相互融合的混合智能原型系统,并初步为混合智能的智能增强提供了行为学的验证,具体研究内容包括:(1)由机器到鼠脑:大鼠机器人导航的自动训练大鼠机器人用于导航前需要经过训练。传统的人工训练方法费时费力,且无法实时记录训练数据。我们首先构建了可用于导航的大鼠机器人混合智能系统,接着针对人工训练存在的问题,建立了一个可用于替代人工训练的新型混合智能系统:基于视频监控的大鼠机器人导航的自动训练系统。我们提出一种分层、多模块的自动训练框架来实现机器与生物之间的互适应,该框架包含感知、任务模型、训练评估和自适应调整四个模块。实验结果表明自动训练系统能够以较少的时间训练出可用于导航的大鼠机器人。该混合智能系统的信息交互方式是由机到脑,其将计算机的规划能力、感知能力与大鼠的学习能力、运动能力结合起来,以达到自动训练大鼠机器人的目的。(2)由人脑到机器:人脑头皮脑电控制四旋翼飞行器人脑头皮脑电信号可以体现人的动作意图。我们建立了一种人脑头皮脑电控制四旋翼飞行器的新型混合智能系统。系统将头皮脑电信号的解析结果转化为控制指令,从而遥控四旋翼飞行器在三维空间内移动。我们采用综合运动想象脑电、眼电和肌电三种头皮电信号的混合式脑机接口,来实现由脑到机的信息交互。该系统将飞行器的移动能力、感知能力与人的决策能力结合以实现机能增强,对残障人士的生活、娱乐等方面具有辅助的作用。(3)由人脑到鼠脑:人脑头皮脑电控制大鼠机器人在(1)和(2)研究工作的基础上,我们建立了一个由人脑到机器,再由机器到鼠脑的新型混合智能系统。我们采用“运动想象左”对应“左转”,“运动想象右”对应“右转”,以及“眨眼”对应“前进”的脑-脑交互范式。在脑电信号解码方面,我们结合共空域子空间分解算法和线性判别分析算法来构建在线脑控大鼠机器人系统。实验结果表明该系统能够有效完成导航大鼠机器人探索未知环境的任务。该混合智能系统实现了人脑向鼠脑的信息传递,并将人的决策能力、大鼠的运动能力,以及摄像头的感知能力结合起来。(4)混合智能的行为学验证:一个迷宫逃离案例大鼠和计算机在空间搜索方面各有所长。在(1)研究工作的基础上,我们首先设计了一种新型的迷宫逃离实验任务,接着对大鼠、计算机和有计算机辅助的大鼠三者在该任务上的实验结果进行比较。实验结果表明有计算机辅助的大鼠比单一的大鼠和单一的计算机的效果好,从而初步为混合智能系统的智能增强提供了行为学的验证。所建立的有计算机辅助的大鼠迷宫逃离系统是一种新型的混合智能系统,其结合了大鼠的决策能力、运动能力、感知能力与计算机的规划能力、感知能力。特别地,该项工作真正实现了生物智能和机器智能在多方面的融合。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

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本文编号：1305139