腦機(jī)融合的混合智能系統(tǒng)：原型及行為學(xué)驗(yàn)證研究.pdf

1、機(jī)器智能和生物智能在不同的應(yīng)用領(lǐng)域具有各自的優(yōu)勢(shì)。機(jī)器智能在海量存儲(chǔ)、精確計(jì)算和快速搜索等方面具有優(yōu)勢(shì)，而生物智能擅長(zhǎng)復(fù)雜環(huán)境感知、知識(shí)學(xué)習(xí)和推理想象等?；旌现悄芟到y(tǒng)同時(shí)包含生物智能和機(jī)器智能，旨在綜合利用兩者各自的優(yōu)勢(shì)，以克服單一智能無(wú)法解決的難題。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)步，以及認(rèn)知科學(xué)、計(jì)算機(jī)和材料學(xué)等多學(xué)科理論與技術(shù)的涌入，生物與機(jī)器之間的連接將會(huì)越來(lái)越緊密，智能融合的程度也會(huì)越來(lái)越深?；旌现悄芟到y(tǒng)是腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是

2、實(shí)現(xiàn)智能增強(qiáng)的一種新途徑。其在醫(yī)療康復(fù)、生活?yuàn)蕵贰?guó)防安保等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用潛力。目前對(duì)腦機(jī)接口的交互范式和腦信號(hào)解碼算法的研究雖較為普遍，但對(duì)腦機(jī)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(jī)器三者為研究對(duì)象，以課題組提出的混合智能的系統(tǒng)框架為指導(dǎo)，通過由機(jī)到腦、由腦到機(jī)，以及由腦到腦三種腦-機(jī)信息交互方式，逐步構(gòu)建了四種生物智能與機(jī)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(qiáng)提供了行為學(xué)的驗(yàn)證，

3、具體研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)由機(jī)器到鼠腦:大鼠機(jī)器人導(dǎo)航的自動(dòng)訓(xùn)練
　　大鼠機(jī)器人用于導(dǎo)航前需要經(jīng)過訓(xùn)練。傳統(tǒng)的人工訓(xùn)練方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且無(wú)法實(shí)時(shí)記錄訓(xùn)練數(shù)據(jù)。首先構(gòu)建了可用于導(dǎo)航的大鼠機(jī)器人混合智能系統(tǒng)，接著針對(duì)人工訓(xùn)練存在的問題，建立了一個(gè)可用于替代人工訓(xùn)練的新型混合智能系統(tǒng):基于視頻監(jiān)控的大鼠機(jī)器人導(dǎo)航的自動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)。提出一種分層、多模塊的自動(dòng)訓(xùn)練框架來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器與生物之間的互適應(yīng)，該框架包含感知、任務(wù)模型、訓(xùn)練評(píng)估和自

4、適應(yīng)調(diào)整四個(gè)模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明自動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)能夠以較少的時(shí)間訓(xùn)練出可用于導(dǎo)航的大鼠機(jī)器人。該混合智能系統(tǒng)的信息交互方式是由機(jī)到腦，其將計(jì)算機(jī)的規(guī)劃能力、感知能力與大鼠的學(xué)習(xí)能力、運(yùn)動(dòng)能力結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到自動(dòng)訓(xùn)練大鼠機(jī)器人的目的。
　　(2)由人腦到機(jī)器:人腦頭皮腦電控制四旋翼飛行器
　　人腦頭皮腦電信號(hào)可以體現(xiàn)人的動(dòng)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(hào)的解析結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制指令，從

5、而遙控四旋翼飛行器在三維空間內(nèi)移動(dòng)。采用綜合運(yùn)動(dòng)想象腦電、眼電和肌電三種頭皮電信號(hào)的混合式腦機(jī)接口，來(lái)實(shí)現(xiàn)由腦到機(jī)的信息交互。該系統(tǒng)將飛行器的移動(dòng)能力、感知能力與人的決策能力結(jié)合以實(shí)現(xiàn)機(jī)能增強(qiáng)，對(duì)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(jī)器人
　　在(1)和(2)研究工作的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)由人腦到機(jī)器，再由機(jī)器到鼠腦的新型混合智能系統(tǒng)。采用“運(yùn)動(dòng)想象左”對(duì)應(yīng)“左轉(zhuǎn)”，“運(yùn)動(dòng)想

6、象右”對(duì)應(yīng)“右轉(zhuǎn)”，以及“眨眼”對(duì)應(yīng)“前進(jìn)”的腦-腦交互范式。在腦電信號(hào)解碼方面，結(jié)合共空域子空間分解算法和線性判別分析算法來(lái)構(gòu)建在線腦控大鼠機(jī)器人系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效完成導(dǎo)航大鼠機(jī)器人探索未知環(huán)境的任務(wù)。該混合智能系統(tǒng)實(shí)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(yùn)動(dòng)能力，以及攝像頭的感知能力結(jié)合起來(lái)。
　　(4)混合智能的行為學(xué)驗(yàn)證:一個(gè)迷宮逃離案例
　　大鼠和計(jì)算機(jī)在空間搜索方面各有所長(zhǎng)。在(1)研究