腦機融合的混合智能系統(tǒng)：原型及行為學驗證研究.pdf

1、機器智能和生物智能在不同的應用領域具有各自的優(yōu)勢。機器智能在海量存儲、精確計算和快速搜索等方面具有優(yōu)勢，而生物智能擅長復雜環(huán)境感知、知識學習和推理想象等。混合智能系統(tǒng)同時包含生物智能和機器智能，旨在綜合利用兩者各自的優(yōu)勢，以克服單一智能無法解決的難題。隨著腦機接口技術的進步，以及認知科學、計算機和材料學等多學科理論與技術的涌入，生物與機器之間的連接將會越來越緊密，智能融合的程度也會越來越深?；旌现悄芟到y(tǒng)是腦機接口技術發(fā)展的必然趨勢，也是

2、實現(xiàn)智能增強的一種新途徑。其在醫(yī)療康復、生活娛樂、國防安保等領域具有重大的應用潛力。目前對腦機接口的交互范式和腦信號解碼算法的研究雖較為普遍，但對腦機融合的混合智能系統(tǒng)的研究還比較缺乏。
　　本文以人、大鼠和機器三者為研究對象，以課題組提出的混合智能的系統(tǒng)框架為指導，通過由機到腦、由腦到機，以及由腦到腦三種腦-機信息交互方式，逐步構建了四種生物智能與機器智能相互融合的混合智能原型系統(tǒng)，并初步為混合智能的智能增強提供了行為學的驗證，

3、具體研究內容包括:
　　(1)由機器到鼠腦:大鼠機器人導航的自動訓練
　　大鼠機器人用于導航前需要經過訓練。傳統(tǒng)的人工訓練方法費時費力，且無法實時記錄訓練數(shù)據(jù)。首先構建了可用于導航的大鼠機器人混合智能系統(tǒng)，接著針對人工訓練存在的問題，建立了一個可用于替代人工訓練的新型混合智能系統(tǒng):基于視頻監(jiān)控的大鼠機器人導航的自動訓練系統(tǒng)。提出一種分層、多模塊的自動訓練框架來實現(xiàn)機器與生物之間的互適應，該框架包含感知、任務模型、訓練評估和自

4、適應調整四個模塊。實驗結果表明自動訓練系統(tǒng)能夠以較少的時間訓練出可用于導航的大鼠機器人。該混合智能系統(tǒng)的信息交互方式是由機到腦，其將計算機的規(guī)劃能力、感知能力與大鼠的學習能力、運動能力結合起來，以達到自動訓練大鼠機器人的目的。
　　(2)由人腦到機器:人腦頭皮腦電控制四旋翼飛行器
　　人腦頭皮腦電信號可以體現(xiàn)人的動作意圖。建立了一種人腦頭皮腦電控制四旋翼飛行器的新型混合智能系統(tǒng)。系統(tǒng)將頭皮腦電信號的解析結果轉化為控制指令，從

5、而遙控四旋翼飛行器在三維空間內移動。采用綜合運動想象腦電、眼電和肌電三種頭皮電信號的混合式腦機接口，來實現(xiàn)由腦到機的信息交互。該系統(tǒng)將飛行器的移動能力、感知能力與人的決策能力結合以實現(xiàn)機能增強，對殘障人士的生活、娛樂等方面具有輔助的作用。
　　(3)由人腦到鼠腦:人腦頭皮腦電控制大鼠機器人
　　在(1)和(2)研究工作的基礎上，建立了一個由人腦到機器，再由機器到鼠腦的新型混合智能系統(tǒng)。采用“運動想象左”對應“左轉”，“運動想

6、象右”對應“右轉”，以及“眨眼”對應“前進”的腦-腦交互范式。在腦電信號解碼方面，結合共空域子空間分解算法和線性判別分析算法來構建在線腦控大鼠機器人系統(tǒng)。實驗結果表明該系統(tǒng)能夠有效完成導航大鼠機器人探索未知環(huán)境的任務。該混合智能系統(tǒng)實現(xiàn)了人腦向鼠腦的信息傳遞，并將人的決策能力、大鼠的運動能力，以及攝像頭的感知能力結合起來。
　　(4)混合智能的行為學驗證:一個迷宮逃離案例
　　大鼠和計算機在空間搜索方面各有所長。在(1)研究