微型生物傳感器在機(jī)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(shí)別是機(jī)器人聽覺的三個(gè)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(shí)時(shí)性和魯棒性，以及對各種機(jī)器人和硬件配置的靈活性。

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

制造機(jī)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(jī)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(jī)器人上，可行嗎？在經(jīng)歷了數(shù)億年的進(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(yuǎn)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(gè)(夜蛾)或1000個(gè)(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(jī)器人平臺(tái)可以通過生物傳感器對聲音作出響應(yīng)。添加到機(jī)器人平臺(tái)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(shè)備(麥克風(fēng)陣列)相比較。將蝗蟲耳朵“接”到機(jī)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(jī)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(jìn)展，即“人體器官芯片技術(shù)”。

人類器官芯片是一項(xiàng)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(xì)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(shí)上，Ear-Chip的設(shè)計(jì)可以讓蝗蟲耳朵長時(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(jī)器人平臺(tái)(如圖a所示)。

值得注意的是，該研究小組在SolidWorksCAD軟件中設(shè)計(jì)了芯片，然后用生物相容性牙科透明樹脂進(jìn)行3D打印，最終成功制造出一種持久耐用的微型感應(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(hào)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(yīng)，并將其傳送給機(jī)器人。正如上圖b所示，機(jī)器人還集成了處理信號(hào)和運(yùn)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(gè)機(jī)器人平臺(tái)還包括一個(gè)信號(hào)放大器，一個(gè)控制器和一個(gè)信號(hào)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(yàn)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(shí)別聲音，把聲音轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，然后把信號(hào)傳給機(jī)器人的電生理測量系統(tǒng)、控制器和信號(hào)處理系統(tǒng)。

值得注意的是，Ear-Bot系統(tǒng)可以區(qū)分馬達(dá)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?shí)的聲音作出反應(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(gè)原理實(shí)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(dòng)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(gè)擁有生物感覺器官的機(jī)器人。

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