為解決水生動物機器人因植入腦電極而產生的腦組織損傷、出血、感染和水腫等問題，本文提出了一種用于鯉魚機器人的光刺激裝置及光控實驗方法。該裝置是根據鯉魚顱骨形狀用萬能板切割而成“王”字型結構，可為光刺激源提供 A、B、C 三組搭載橋平臺，每組搭載橋兩端各焊接一個跳線板，將發光二極管（LED）作為光刺激源插入跳線板中，將跳線板所有負極通過導線連接到控制臺，LED 燈根據波長需要可以更換，還可選擇多種組合光刺激方式。將該裝置搭載于鯉魚頭部，將鯉魚機器人置于水迷宮中，觀察應用光控方法在暗光下控制鯉魚機器人（n = 10）前進及轉向等運動。結果顯示，三組紅光光控實驗成功率在 53%～87%，三組藍光光控實驗成功率在 50%～80%。研究表明該裝置與方法具有可行性。
引用本文： 彭勇, 韓曉曉, 王婷婷, 劉洋, 閆艷紅, 趙洋, 王愛迪, 蘇佩華, 張凡. 一種用于鯉魚機器人的光刺激裝置及光控實驗方法. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(5): 720-726. doi: 10.7507/1001-5515.201801076 復制
引言
動物機器人是人類通過生物控制技術施加干預信號調控動物生物行為從而實現人類操縱的動物。近些年來，無論國際還是國內動物機器人的研究發展都比較快。動物機器人可充分利用動物在運動靈活性、天然隱蔽性和環境適應性等方面的優勢，能夠在惡劣危險環境下執行人類所不愿或所不能完成的任務，因而成為當今世界備受關注的嶄新的前沿科學領域。
人類對動物進行生物控制的探索在 20 世紀就開始了，在國外動物機器人的研究中，以美國和日本的研究最具有代表性。日本東京大學 Shimoyama 教授團隊[1]利用刺激感受器誘導動物運動的方式研制出蟑螂機器人，基本實現了蟑螂左右轉、前進、后退等運動的人工控制；美國紐約州立大學 Talwar 博士團隊[2-4]通過刺激感覺皮層和邊緣系統，使用遙控裝置遠程遙控機器人鼠的前進、轉彎、跳躍等動作；美國海軍海戰中心正在進行“鯊魚特工”的研制計劃，他們將鯊魚武裝成動物機器人，利用其不易被發現的特點，遠程遙控鯊魚機器人秘密獲取敵方情報[5]。
近年來，國內也陸續展開了對動物機器人的研究。山東科技大學蘇學成教授團隊[6]通過對鴿子腦部神經的刺激，成功實現了起飛、左轉、右轉、盤旋等一系列動作；浙江大學鄭筱祥教授團隊[7]通過植入電極刺激大鼠背側導水管周圍灰質，誘發其防御行為，完成了大鼠機器人導航系統；南京航空航天大學戴振東教授團隊[8]電刺激中腦內部核團，成功誘導大壁虎的轉向、前進、后退和翻身等動作；本文作者團隊[9-10]通過電刺激鯉魚腦部神經，成功實現了對鯉魚機器人水下無線遙控，之后還成功實現了對家兔動物機器人的運動行為控制。到目前為止，國內外動物機器人的控制手段主要是基于運動控制的腦-機接口技術，以電刺激方式通過電信號刺激動物的神經。電刺激方法雖然控制能力較強，但因植入腦電極而會給動物腦組織帶來一定的損傷、出血、感染和水腫等問題，所以有必要尋找更適宜的新方法。
除了應用電神經刺激外，還可以利用光對動物進行神經刺激，而利用光刺激器對動物神經元進行準確而有效的刺激是實現動物機器人調控的關鍵。由于不同的光感基因具有不同的敏感度，能引起細胞產生光刺激變化的輻射照度也不盡相同[11]。美國斯坦福大學發現了兩種光敏基因在導入神經元之后會使其對藍光以及黃光分別表現出興奮、抑制的活性變化，因此通過使用一定功率和頻率的藍光經由光纖刺激大鼠相應的大腦區域，成功控制了大鼠運動行為[12-13]；西北師范大學用光刺激峽蝶和菜粉蝶復眼引起視神經節層電生理反應，發現峽蝶和菜粉蝶對藍光和綠光刺激具有較強的反應[14]；英國帝國理工大學的 Poher 等[15]利用發光二極管（light emitting diode，LED）微芯片建立了多點刺激平臺，可以多點光刺激神經元；重慶大學設計了一種基于超聲波刺激融合表皮電刺激和 LED 燈光輔助刺激的無創傷老鼠運動控制系統，該系統采用外部刺激源的穿戴式刺激方式實現老鼠的運動控制[16]。
雖然在應用光刺激動物神經方面已經開展了一些實驗研究工作，但在水生動物中還缺乏光控方面的實驗研究。在光照對水生動物的影響方面，由于動物的趨光性與其視力有關，因而在不同的種類以及同種個體的不同發育階段，趨光性表現也不同[17-18]。利用水生動物的負性趨光性原理，即水生動物背離光源的行為特征，可以采用光刺激方法來對其進行運動行為控制。但到目前為止，能夠用于水生動物機器人運動控制的光刺激裝置及光控方法還尚未見國內外文獻報道。對此，在實驗研究的基礎上，本文提出了一種在暗光條件下能夠用于鯉魚水生動物機器人運動控制的光刺激裝置及光控實驗方法，并進行鯉魚機器人水下光控實驗的檢測，實驗表明在不損傷動物腦組織的情況下，該裝置與應用方法能夠實現對鯉魚機器人的水下運動控制。
1 裝置結構
本研究依據鯉魚視覺生理的負性趨光性原理，再結合前期研究工作，發明了一種用于鯉魚水生動物機器人運動控制的光刺激裝置及光控實驗方法。
如圖 1 所示，本文設計的用于鯉魚水生動物機器人運動控制的光刺激裝置，由搭載板、跳線板、固定釘、導線和光刺激源組成。搭載板是根據鯉魚顱骨形狀特點用萬能板切割而成，呈“王”字型特征，這樣特征的結構可為光刺激源提供三組搭載橋的平臺，在應用時將其固定在鯉魚頭部。
搭載板可以為 6 個光刺激源提供三組搭載橋平臺，記動物雙眼的前上方位置為 A 組搭載橋、動物雙眼的正上方位置為 B 組搭載橋、動物雙眼的后上方位置為 C 組搭載橋，每組搭載橋兩端各安置一個光刺激源，這樣可以在魚眼的前上方、正上方和后上方的三個位置實現光源從不同方位及不同角度對魚眼進行光刺激，從而達到觀察與測試鯉魚機器人前進、后退和左右轉向等運動控制的研究目的。
跳線板是用于導通搭載板與光刺激源的結構，分別焊接在每組搭載橋的兩端。將 LED 燈作為光刺激源插入每組搭載橋兩端的跳線板插孔中以固定，所有跳線板上 LED 燈的負極連接在一起，再與控制臺的負極連接，將跳線板上 6 個 LED 燈的正極分別與控制臺相應的 6 個控制開關相連接。固定釘是用于固定裝置的，使用 3 個圖釘或螺絲釘穿過搭載板和顱骨，將裝置固定于動物頭部。光刺激源由 LED 燈形成，記動物左側端紅色 LED 燈為 RXL（其中 X 為 A/B/C 組搭載橋）、動物右側端紅色 LED 燈為 RXR，記動物左側端藍色 LED 燈為 BXL、動物右側端藍色 LED 燈為 BXR。本裝置已申報國家專利（201420696022.1）[19]。
圖1
光刺激裝置示意圖
Figure1.
Schematic diagram of light stimulus device
在實際應用時，根據研究的需要，可更換不同波長的 LED 燈，即不同顏色的 LED 燈，這樣就可以選擇多種組合的光刺激方式，既可在三組不同搭載橋位置上用同種波長的光源刺激實驗動物，也可用不同波長的光源組合刺激實驗動物，還可在同一位置和同種波長光源下改變光源的強度刺激實驗動物，實現多種組合方式的光刺激源。本文光刺激裝置及光控方法如果具有可行性，將會為未來的實際應用提供一種嶄新的控制方法與相應裝置。
2 鯉魚機器人水下光控實驗
本研究選用兩種不同波長的 LED 燈作刺激光源分別對鯉魚機器人進行水下光控實驗，通過實驗對我們的假設進行驗證，探討本文提出的光刺激裝置及光控實驗方法在暗光環境下對鯉魚機器人水下運動控制是否具有可行性，以及光控方法能否成為控制鯉魚機器人水下運動的一種有效控制方法。
本研究將搭載光刺激裝置的鯉魚機器人放入本課題組自主研制的水迷宮中，在暗光環境下通過實驗控制臺分別對鯉魚機器人在水下進行單側光刺激（見圖 2a）和雙側光刺激（見圖 2b）光控實驗。
2.1 實驗方法
（1）將健康成年鯉魚 10 尾放在 0.36 g/L 丁香酚溶液中進行藥浴麻醉。
（2）用微型手電鉆在鯉魚顱骨上距離兩眼連線中點后、左、右等距處分別鉆孔，將 3 個圖釘或螺絲釘穿過搭載板和顱骨，將光刺激裝置固定于鯉魚頭部。
（3）將搭載光刺激裝置的鯉魚機器人放入實驗水池中的水迷宮內，待鯉魚蘇醒并恢復正常游動能力后，營造暗光環境，YLS-9A 生理藥理電子刺激儀（北京眾實迪創科技發展有限責任公司）發出的電信號經導線傳至光刺激裝置 LED 燈并轉換為光信號。
（4）根據光刺激源位置的不同，將實驗分為三組：A 組搭載橋光控實驗組、B 組搭載橋光控實驗組、C 組搭載橋光控實驗組。利用紅、藍兩種不同波長的 LED 燈分別對鯉魚機器人進行光控實驗。每個鯉魚機器人的每組搭載橋光控實驗重復 3 次。
（5）通過電子刺激儀發射的不同頻率和不同幅值的電信號來控制各組 LED 燈光源，對鯉魚機器人進行水下光控實驗。在紅色 LED 燈光控實驗結束后，用藍色 LED 燈替換紅色 LED 燈插入跳線板插口內，再進行藍色 LED 光控實驗。
（6）用紅色 LED 燈光刺激時，頻率為 1～20 Hz，電壓幅值為 7.8 V。在 A、B、C 三組實驗中，每組又分為單一左側光刺激、單一右側光刺激和左右兩側光刺激。
（7）用藍色 LED 燈光刺激時，由于同等電壓下藍色 LED 燈發出的光較弱，不如紅光，所以在藍光刺激時加大了電壓，增強藍光強度，選擇頻率為 1～20 Hz 和電壓幅值為 10 V。實驗分組同紅色 LED 燈。
（8）實施光刺激時，如果鯉魚機器人出現轉向或前進或后退記為“成功”；實施刺激時，如果無轉向或前進或后退記為“失敗”。用實驗成功率來衡量光控對鯉魚機器人運動控制的效果。
（9）將實驗數據進行統計處理，采用統計學處理軟件 SPSS 22.0 分別對紅色 LED 燈和藍色 LED 燈組間及 A、B、C 三組組間的光控實驗數據進行 χ2 檢驗，以 P < 0.05 為差異有統計學意義。
圖2
鯉魚機器人水下光控實驗
a.單側光控實驗；b.雙側光控實驗
Figure2. The underwater experiment of the carp robots by the optical control methoda. the experiment of unilateral light control; b. the experiment of bilateral light control
2.2 實驗結果
本實驗采用鯉魚機器人（n = 10），紅光與藍光均分為 A、B、C 三組，每組又分別進行了左側、右側、左右側同時光刺激，每個實驗重復 3 次。
無論是紅光還是藍光，A 組、B 組、C 組左側分別進行光刺激時鯉魚機器人出現右轉向運動；A 組、B 組、C 組右側分別進行光刺激時鯉魚機器人出現左轉向運動；A 組兩側同時進行光刺激時鯉魚機器人出現后退運動，B 組或 C 組兩側同時進行光刺激時鯉魚機器人出現前進運動，實驗結果見表 1。
由表 1 可知，當用紅色 LED 燈進行光控時，A、B、C 三組實驗成功率均超過 53%；當用藍色 LED 燈進行光控時，A、B、C 三組實驗成功率均超過 50%。
采用 SPSS 22.0 統計處理軟件，用 χ2 分割法分別對 A、B、C 三組結果做兩兩對比。結果顯示，A 與 B 兩組比較成功率差異具有統計學意義（χ2 = 19.759，P = 0）；B 與 C 兩組比較成功率差異具有統計學意義（χ2 = 26.793，P = 0）；而A 與 C 兩組比較成功率差異沒有統計學意義（χ2 = 0.417，P = 0.519（雙側），P = 0.259（單側））。
用紅色 LED 燈和藍色 LED 燈分別對鯉魚機器人實施光刺激時，兩者結果比較差異無統計學意義（χ2 = 2.013，P = 0.159（雙側），P = 0.078（單側））。實驗表明，紅色 LED 燈和藍色 LED 對鯉魚機器人的控制成功率無明顯差異，由表 1 可知兩者均可對鯉魚機器人的運動行為進行有效控制。
在鯉魚機器人魚眼的左側和右側分別進行光刺激時，兩組之間成功率無明顯差異（χ2 = 0.013，P = 0.909 ）。由此可表明，從左側或者右側進行光刺激，對鯉魚機器人的控制成功率沒有明顯差異，由表 1 可知兩側光刺激均對鯉魚機器人的左右轉向運動具有有效控制作用。
應用本文光刺激裝置在暗光環境下對鯉魚機器人進行水下光控實驗，觀察到了鯉魚機器人受控進行前進、后退和左右轉向等運動。本文以左側光刺激鯉魚機器人在暗光環境下控制其右轉向運動為例，展示了鯉魚機器人能夠受控右轉向并達到 180° 的視頻截圖（見圖 3），表明本文的光刺激裝置及光控實驗方法可以實現對鯉魚機器人水下運動的控制。
表1
鯉魚機器人光控實驗結果（n = 10）
Table1.
The optical control experiment results of carp robots (n = 10)
圖3
應用光控方法控制鯉魚機器人右轉向運動
Figure3.
The right steering movement of the carp robot controlled by the optical control method
3 討論
目前國際上對動物機器人通常是以腦-機接口為關鍵技術，通過向腦運動神經核團植入刺激電極，施加模擬電生理信號實現其運動控制的，如水生動物機器人中的鯊魚機器人[5]、金魚機器人[20]等。應用植入式腦電極施加電刺激方法的優點是控制能力比較強，但同時也會帶來副作用，如給實驗動物腦組織造成一定的損傷、出血、感染、水腫等，甚至導致動物過早死亡，故有必要尋找一種新的更適宜的控制方法。
光對水生動物行為影響的研究，目前基本上還處在觀察描述的資料積累階段，但可以肯定，光在水生動物的行為變化中發揮了重要而復雜的作用[21]。如幼鯡魚在較高的光照強度下呈趨光性，隨著光照強度減弱，趨光性行為也減弱，當光照強度低于某一閾值時，表現為背光性，而在非常低的光照強度下，背光性也消失；而且隨著幼體向成體的不斷發展，光敏感性也不斷增長，由光適應轉為暗適應。又如幼鯡魚對黃-綠光表現為趨光性，而在剛孵出時對 450、520 和 620 μm 光波表現為背光性，以后隨著發育時期的不同，對光波的趨光性也會發生變化[22]。
基于上述文獻的現象與原理，本研究運用光刺激裝置在暗光環境下對鯉魚機器人進行了探索性和試驗性的研究工作，試圖找到一種能夠避免腦組織損傷的解決辦法和控制手段。本研究依據鯉魚視覺生理的的負性趨光性原理，再結合本課題組對鯉魚機器人運動行為控制的前期研究工作，提出了一種用于水生動物機器人運動控制的光刺激裝置及光控方法，可在暗光條件下利用不同角度、不同強度、不同波長的組合式光源對鯉魚水生動物機器人運動行為進行控制，目前國際上尚未見相關的研究報道。
應用本文提出的用于鯉魚機器人的光刺激裝置及光控實驗方法，在暗光條件下利用不同角度、不同強度、不同波長的組合式光源對鯉魚水生動物機器人的運動行為進行控制。當用紅色 LED 燈對實驗鯉魚（n = 10）進行光控時，A、B、C 三組實驗成功率均超過 53%（見表 1）；當用藍色 LED 燈進行光控時，發現實驗效果與紅色 LED 燈相似，A 組、B 組、C 組實驗成功率均超過 50%（見表 1）。由此可以得出，用紅色 LED 燈和藍色 LED 燈對鯉魚機器人進行光控都是有效且可行的。在水下對鯉魚機器人運動行為進行控制時，無論是紅光還是藍光，A、B、C 三組左側分別進行光刺激時鯉魚機器人出現右轉向運動；三組右側分別進行光刺激時鯉魚機器人出現左轉向運動；A 組兩側同時進行光刺激時鯉魚機器人出現后退運動，B 組或 C 組兩側同時進行光刺激時鯉魚機器人出現前進運動（見表 1）。實驗過程中出現的誤差，可能是由于實驗過程中的操作或者鯉魚本身的個體性差異導致的，也有可能是實驗過程中長時間對鯉魚進行光刺激，導致鯉魚對光的感應產生疲勞性，這個問題有待于將來進一步研究。
本文設計的光刺激裝置呈“王”字型結構，可提供三對 LED 燈光源，即魚眼的前上方（A 組）、正上方（B 組）和后上方（C 組），這樣可以用三個不同方向、不同角度的光源進行光刺激。從實驗結果看，在魚眼的前上方、后上方、正上方位置發射的 LED 燈光源均可控制鯉魚機器人的運動，表明光控方法可以成為控制鯉魚機器人的一種有效方法。經統計學分析可以看出，A 與 B 兩組成功率比較具有明顯差異（P < 0.05），B 與 C 兩組比較具有明顯差異（ P < 0.05），而 A 與 C 兩組比較則無明顯差異（ P > 0.05），表明在魚眼的前上方與后上方位置發射出的光刺激源控制鯉魚機器人的實驗成功率均高于魚眼正上方位置，但魚眼的前上方和后上方位置發射出的光刺激源對鯉魚機器人的控制效果則相差不大，說明從不同角度發射的刺激光源產生的效果可以是不同的。
本研究利用紅色和藍色兩種 LED 光源分別對鯉魚機器人進行水下光控實驗，盡管紅色 LED 燈與藍色 LED 燈的波長不一樣，但我們發現兩種不同光源均可對鯉魚機器人的運動發揮控制作用，光控實驗成功率均在 50% 以上（見表 1）。結果表明，應用本文光刺激裝置及光控方法于暗光環境下在對鯉魚機器人的水下運動控制方面具有可行性與可操作性。由此我們認為，光控方法是控制鯉魚機器人水下運動的一種行之有效的手段。本文中 A 組、B 組、C 組紅色 LED 燈光源的實驗成功率有高于藍色 LED 燈光源的趨勢（見表 1），但兩者之間差異沒有統計學意義（P > 0.05），說明紅色 LED 燈和藍色 LED 燈對鯉魚機器人的控制效果沒有明顯差異，兩者均能有效控制鯉魚機器人的運動，但其機制尚不清楚，有待于將來深入研究。
與電刺激腦運動區來控制動物機器人的方法相比，本文采用的光控方法不需開顱手術植入腦電極，只是把裝置直接固定在動物顱骨上即可，所以可以避免因植入腦電極施加電刺激方法帶來的腦組織損傷、出血、感染、水腫以及動物死亡等問題。
本文光刺激裝置與光控方法在實際應用中，還可用其他波長的光源來更換，只需將原 LED 燈拆下，換上要測試的光源即可，拆裝方便，操作簡單，具有較強的靈活性和實用性。
應用光控方法實現對動物機器人運動的有效控制可以說是一個嶄新的研究課題，目前用于動物機器人的光刺激裝置還很少，現雖有無線光刺激裝置[23]，但該裝置主要是面向鼠等陸地動物使用，不適合用于像鯉魚這樣的水生動物。本文光刺激裝置與光控方法可以用于暗光條件下水生動物機器人運動控制的測試與應用，具有一定的可操作性與實用性。在世界上水生動物機器人領域尚未見有關研究時，我們開展這項科學研究工作也是一次主動探索與積極嘗試，這項研究工作將具有一定的科學研究意義和實際應用價值。
4 結語
本文提出了一種用于鯉魚水生動物機器人的光刺激裝置及光控方法。本文光刺激裝置及光控方法具有不損傷腦組織、可多角度刺激、提供不同波長光源、采用不同形式組合、運用方法靈活、操作簡捷方便的特點。經暗光條件下的鯉魚機器人水下紅光與藍光光控實驗檢驗，應用本文光刺激裝置及光控方法在暗光環境下對鯉魚機器人水下運動的控制方面具有可行性與可操作性。由此我們認為，光控方法也是控制鯉魚機器人水下運動的一種行之有效的手段，有望將來在一定條件下替代電刺激手段實現對水生動物機器人的人為控制。
引言
動物機器人是人類通過生物控制技術施加干預信號調控動物生物行為從而實現人類操縱的動物。近些年來，無論國際還是國內動物機器人的研究發展都比較快。動物機器人可充分利用動物在運動靈活性、天然隱蔽性和環境適應性等方面的優勢，能夠在惡劣危險環境下執行人類所不愿或所不能完成的任務，因而成為當今世界備受關注的嶄新的前沿科學領域。
人類對動物進行生物控制的探索在 20 世紀就開始了，在國外動物機器人的研究中，以美國和日本的研究最具有代表性。日本東京大學 Shimoyama 教授團隊[1]利用刺激感受器誘導動物運動的方式研制出蟑螂機器人，基本實現了蟑螂左右轉、前進、后退等運動的人工控制；美國紐約州立大學 Talwar 博士團隊[2-4]通過刺激感覺皮層和邊緣系統，使用遙控裝置遠程遙控機器人鼠的前進、轉彎、跳躍等動作；美國海軍海戰中心正在進行“鯊魚特工”的研制計劃，他們將鯊魚武裝成動物機器人，利用其不易被發現的特點，遠程遙控鯊魚機器人秘密獲取敵方情報[5]。
近年來，國內也陸續展開了對動物機器人的研究。山東科技大學蘇學成教授團隊[6]通過對鴿子腦部神經的刺激，成功實現了起飛、左轉、右轉、盤旋等一系列動作；浙江大學鄭筱祥教授團隊[7]通過植入電極刺激大鼠背側導水管周圍灰質，誘發其防御行為，完成了大鼠機器人導航系統；南京航空航天大學戴振東教授團隊[8]電刺激中腦內部核團，成功誘導大壁虎的轉向、前進、后退和翻身等動作；本文作者團隊[9-10]通過電刺激鯉魚腦部神經，成功實現了對鯉魚機器人水下無線遙控，之后還成功實現了對家兔動物機器人的運動行為控制。到目前為止，國內外動物機器人的控制手段主要是基于運動控制的腦-機接口技術，以電刺激方式通過電信號刺激動物的神經。電刺激方法雖然控制能力較強，但因植入腦電極而會給動物腦組織帶來一定的損傷、出血、感染和水腫等問題，所以有必要尋找更適宜的新方法。
除了應用電神經刺激外，還可以利用光對動物進行神經刺激，而利用光刺激器對動物神經元進行準確而有效的刺激是實現動物機器人調控的關鍵。由于不同的光感基因具有不同的敏感度，能引起細胞產生光刺激變化的輻射照度也不盡相同[11]。美國斯坦福大學發現了兩種光敏基因在導入神經元之后會使其對藍光以及黃光分別表現出興奮、抑制的活性變化，因此通過使用一定功率和頻率的藍光經由光纖刺激大鼠相應的大腦區域，成功控制了大鼠運動行為[12-13]；西北師范大學用光刺激峽蝶和菜粉蝶復眼引起視神經節層電生理反應，發現峽蝶和菜粉蝶對藍光和綠光刺激具有較強的反應[14]；英國帝國理工大學的 Poher 等[15]利用發光二極管（light emitting diode，LED）微芯片建立了多點刺激平臺，可以多點光刺激神經元；重慶大學設計了一種基于超聲波刺激融合表皮電刺激和 LED 燈光輔助刺激的無創傷老鼠運動控制系統，該系統采用外部刺激源的穿戴式刺激方式實現老鼠的運動控制[16]。
雖然在應用光刺激動物神經方面已經開展了一些實驗研究工作，但在水生動物中還缺乏光控方面的實驗研究。在光照對水生動物的影響方面，由于動物的趨光性與其視力有關，因而在不同的種類以及同種個體的不同發育階段，趨光性表現也不同[17-18]。利用水生動物的負性趨光性原理，即水生動物背離光源的行為特征，可以采用光刺激方法來對其進行運動行為控制。但到目前為止，能夠用于水生動物機器人運動控制的光刺激裝置及光控方法還尚未見國內外文獻報道。對此，在實驗研究的基礎上，本文提出了一種在暗光條件下能夠用于鯉魚水生動物機器人運動控制的光刺激裝置及光控實驗方法，并進行鯉魚機器人水下光控實驗的檢測，實驗表明在不損傷動物腦組織的情況下，該裝置與應用方法能夠實現對鯉魚機器人的水下運動控制。
1 裝置結構
本研究依據鯉魚視覺生理的負性趨光性原理，再結合前期研究工作，發明了一種用于鯉魚水生動物機器人運動控制的光刺激裝置及光控實驗方法。
如圖 1 所示，本文設計的用于鯉魚水生動物機器人運動控制的光刺激裝置，由搭載板、跳線板、固定釘、導線和光刺激源組成。搭載板是根據鯉魚顱骨形狀特點用萬能板切割而成，呈“王”字型特征，這樣特征的結構可為光刺激源提供三組搭載橋的平臺，在應用時將其固定在鯉魚頭部。
搭載板可以為 6 個光刺激源提供三組搭載橋平臺，記動物雙眼的前上方位置為 A 組搭載橋、動物雙眼的正上方位置為 B 組搭載橋、動物雙眼的后上方位置為 C 組搭載橋，每組搭載橋兩端各安置一個光刺激源，這樣可以在魚眼的前上方、正上方和后上方的三個位置實現光源從不同方位及不同角度對魚眼進行光刺激，從而達到觀察與測試鯉魚機器人前進、后退和左右轉向等運動控制的研究目的。
跳線板是用于導通搭載板與光刺激源的結構，分別焊接在每組搭載橋的兩端。將 LED 燈作為光刺激源插入每組搭載橋兩端的跳線板插孔中以固定，所有跳線板上 LED 燈的負極連接在一起，再與控制臺的負極連接，將跳線板上 6 個 LED 燈的正極分別與控制臺相應的 6 個控制開關相連接。固定釘是用于固定裝置的，使用 3 個圖釘或螺絲釘穿過搭載板和顱骨，將裝置固定于動物頭部。光刺激源由 LED 燈形成，記動物左側端紅色 LED 燈為 RXL（其中 X 為 A/B/C 組搭載橋）、動物右側端紅色 LED 燈為 RXR，記動物左側端藍色 LED 燈為 BXL、動物右側端藍色 LED 燈為 BXR。本裝置已申報國家專利（201420696022.1）[19]。
圖1
光刺激裝置示意圖
Figure1.
Schematic diagram of light stimulus device
在實際應用時，根據研究的需要，可更換不同波長的 LED 燈，即不同顏色的 LED 燈，這樣就可以選擇多種組合的光刺激方式，既可在三組不同搭載橋位置上用同種波長的光源刺激實驗動物，也可用不同波長的光源組合刺激實驗動物，還可在同一位置和同種波長光源下改變光源的強度刺激實驗動物，實現多種組合方式的光刺激源。本文光刺激裝置及光控方法如果具有可行性，將會為未來的實際應用提供一種嶄新的控制方法與相應裝置。
2 鯉魚機器人水下光控實驗
本研究選用兩種不同波長的 LED 燈作刺激光源分別對鯉魚機器人進行水下光控實驗，通過實驗對我們的假設進行驗證，探討本文提出的光刺激裝置及光控實驗方法在暗光環境下對鯉魚機器人水下運動控制是否具有可行性，以及光控方法能否成為控制鯉魚機器人水下運動的一種有效控制方法。
本研究將搭載光刺激裝置的鯉魚機器人放入本課題組自主研制的水迷宮中，在暗光環境下通過實驗控制臺分別對鯉魚機器人在水下進行單側光刺激（見圖 2a）和雙側光刺激（見圖 2b）光控實驗。
2.1 實驗方法
（1）將健康成年鯉魚 10 尾放在 0.36 g/L 丁香酚溶液中進行藥浴麻醉。
（2）用微型手電鉆在鯉魚顱骨上距離兩眼連線中點后、左、右等距處分別鉆孔，將 3 個圖釘或螺絲釘穿過搭載板和顱骨，將光刺激裝置固定于鯉魚頭部。
（3）將搭載光刺激裝置的鯉魚機器人放入實驗水池中的水迷宮內，待鯉魚蘇醒并恢復正常游動能力后，營造暗光環境，YLS-9A 生理藥理電子刺激儀（北京眾實迪創科技發展有限責任公司）發出的電信號經導線傳至光刺激裝置 LED 燈并轉換為光信號。
（4）根據光刺激源位置的不同，將實驗分為三組：A 組搭載橋光控實驗組、B 組搭載橋光控實驗組、C 組搭載橋光控實驗組。利用紅、藍兩種不同波長的 LED 燈分別對鯉魚機器人進行光控實驗。每個鯉魚機器人的每組搭載橋光控實驗重復 3 次。
（5）通過電子刺激儀發射的不同頻率和不同幅值的電信號來控制各組 LED 燈光源，對鯉魚機器人進行水下光控實驗。在紅色 LED 燈光控實驗結束后，用藍色 LED 燈替換紅色 LED 燈插入跳線板插口內，再進行藍色 LED 光控實驗。
（6）用紅色 LED 燈光刺激時，頻率為 1～20 Hz，電壓幅值為 7.8 V。在 A、B、C 三組實驗中，每組又分為單一左側光刺激、單一右側光刺激和左右兩側光刺激。
（7）用藍色 LED 燈光刺激時，由于同等電壓下藍色 LED 燈發出的光較弱，不如紅光，所以在藍光刺激時加大了電壓，增強藍光強度，選擇頻率為 1～20 Hz 和電壓幅值為 10 V。實驗分組同紅色 LED 燈。
（8）實施光刺激時，如果鯉魚機器人出現轉向或前進或后退記為“成功”；實施刺激時，如果無轉向或前進或后退記為“失敗”。用實驗成功率來衡量光控對鯉魚機器人運動控制的效果。
（9）將實驗數據進行統計處理，采用統計學處理軟件 SPSS 22.0 分別對紅色 LED 燈和藍色 LED 燈組間及 A、B、C 三組組間的光控實驗數據進行 χ2 檢驗，以 P < 0.05 為差異有統計學意義。
圖2
鯉魚機器人水下光控實驗
a.單側光控實驗；b.雙側光控實驗
Figure2. The underwater experiment of the carp robots by the optical control methoda. the experiment of unilateral light control; b. the experiment of bilateral light control
2.2 實驗結果
本實驗采用鯉魚機器人（n = 10），紅光與藍光均分為 A、B、C 三組，每組又分別進行了左側、右側、左右側同時光刺激，每個實驗重復 3 次。
無論是紅光還是藍光，A 組、B 組、C 組左側分別進行光刺激時鯉魚機器人出現右轉向運動；A 組、B 組、C 組右側分別進行光刺激時鯉魚機器人出現左轉向運動；A 組兩側同時進行光刺激時鯉魚機器人出現后退運動，B 組或 C 組兩側同時進行光刺激時鯉魚機器人出現前進運動，實驗結果見表 1。
由表 1 可知，當用紅色 LED 燈進行光控時，A、B、C 三組實驗成功率均超過 53%；當用藍色 LED 燈進行光控時，A、B、C 三組實驗成功率均超過 50%。
采用 SPSS 22.0 統計處理軟件，用 χ2 分割法分別對 A、B、C 三組結果做兩兩對比。結果顯示，A 與 B 兩組比較成功率差異具有統計學意義（χ2 = 19.759，P = 0）；B 與 C 兩組比較成功率差異具有統計學意義（χ2 = 26.793，P = 0）；而A 與 C 兩組比較成功率差異沒有統計學意義（χ2 = 0.417，P = 0.519（雙側），P = 0.259（單側））。
用紅色 LED 燈和藍色 LED 燈分別對鯉魚機器人實施光刺激時，兩者結果比較差異無統計學意義（χ2 = 2.013，P = 0.159（雙側），P = 0.078（單側））。實驗表明，紅色 LED 燈和藍色 LED 對鯉魚機器人的控制成功率無明顯差異，由表 1 可知兩者均可對鯉魚機器人的運動行為進行有效控制。
在鯉魚機器人魚眼的左側和右側分別進行光刺激時，兩組之間成功率無明顯差異（χ2 = 0.013，P = 0.909 ）。由此可表明，從左側或者右側進行光刺激，對鯉魚機器人的控制成功率沒有明顯差異，由表 1 可知兩側光刺激均對鯉魚機器人的左右轉向運動具有有效控制作用。
應用本文光刺激裝置在暗光環境下對鯉魚機器人進行水下光控實驗，觀察到了鯉魚機器人受控進行前進、后退和左右轉向等運動。本文以左側光刺激鯉魚機器人在暗光環境下控制其右轉向運動為例，展示了鯉魚機器人能夠受控右轉向并達到 180° 的視頻截圖（見圖 3），表明本文的光刺激裝置及光控實驗方法可以實現對鯉魚機器人水下運動的控制。
表1
鯉魚機器人光控實驗結果（n = 10）
Table1.
The optical control experiment results of carp robots (n = 10)
圖3
應用光控方法控制鯉魚機器人右轉向運動
Figure3.
The right steering movement of the carp robot controlled by the optical control method
3 討論
目前國際上對動物機器人通常是以腦-機接口為關鍵技術，通過向腦運動神經核團植入刺激電極，施加模擬電生理信號實現其運動控制的，如水生動物機器人中的鯊魚機器人[5]、金魚機器人[20]等。應用植入式腦電極施加電刺激方法的優點是控制能力比較強，但同時也會帶來副作用，如給實驗動物腦組織造成一定的損傷、出血、感染、水腫等，甚至導致動物過早死亡，故有必要尋找一種新的更適宜的控制方法。
光對水生動物行為影響的研究，目前基本上還處在觀察描述的資料積累階段，但可以肯定，光在水生動物的行為變化中發揮了重要而復雜的作用[21]。如幼鯡魚在較高的光照強度下呈趨光性，隨著光照強度減弱，趨光性行為也減弱，當光照強度低于某一閾值時，表現為背光性，而在非常低的光照強度下，背光性也消失；而且隨著幼體向成體的不斷發展，光敏感性也不斷增長，由光適應轉為暗適應。又如幼鯡魚對黃-綠光表現為趨光性，而在剛孵出時對 450、520 和 620 μm 光波表現為背光性，以后隨著發育時期的不同，對光波的趨光性也會發生變化[22]。
基于上述文獻的現象與原理，本研究運用光刺激裝置在暗光環境下對鯉魚機器人進行了探索性和試驗性的研究工作，試圖找到一種能夠避免腦組織損傷的解決辦法和控制手段。本研究依據鯉魚視覺生理的的負性趨光性原理，再結合本課題組對鯉魚機器人運動行為控制的前期研究工作，提出了一種用于水生動物機器人運動控制的光刺激裝置及光控方法，可在暗光條件下利用不同角度、不同強度、不同波長的組合式光源對鯉魚水生動物機器人運動行為進行控制，目前國際上尚未見相關的研究報道。
應用本文提出的用于鯉魚機器人的光刺激裝置及光控實驗方法，在暗光條件下利用不同角度、不同強度、不同波長的組合式光源對鯉魚水生動物機器人的運動行為進行控制。當用紅色 LED 燈對實驗鯉魚（n = 10）進行光控時，A、B、C 三組實驗成功率均超過 53%（見表 1）；當用藍色 LED 燈進行光控時，發現實驗效果與紅色 LED 燈相似，A 組、B 組、C 組實驗成功率均超過 50%（見表 1）。由此可以得出，用紅色 LED 燈和藍色 LED 燈對鯉魚機器人進行光控都是有效且可行的。在水下對鯉魚機器人運動行為進行控制時，無論是紅光還是藍光，A、B、C 三組左側分別進行光刺激時鯉魚機器人出現右轉向運動；三組右側分別進行光刺激時鯉魚機器人出現左轉向運動；A 組兩側同時進行光刺激時鯉魚機器人出現后退運動，B 組或 C 組兩側同時進行光刺激時鯉魚機器人出現前進運動（見表 1）。實驗過程中出現的誤差，可能是由于實驗過程中的操作或者鯉魚本身的個體性差異導致的，也有可能是實驗過程中長時間對鯉魚進行光刺激，導致鯉魚對光的感應產生疲勞性，這個問題有待于將來進一步研究。
本文設計的光刺激裝置呈“王”字型結構，可提供三對 LED 燈光源，即魚眼的前上方（A 組）、正上方（B 組）和后上方（C 組），這樣可以用三個不同方向、不同角度的光源進行光刺激。從實驗結果看，在魚眼的前上方、后上方、正上方位置發射的 LED 燈光源均可控制鯉魚機器人的運動，表明光控方法可以成為控制鯉魚機器人的一種有效方法。經統計學分析可以看出，A 與 B 兩組成功率比較具有明顯差異（P < 0.05），B 與 C 兩組比較具有明顯差異（ P < 0.05），而 A 與 C 兩組比較則無明顯差異（ P > 0.05），表明在魚眼的前上方與后上方位置發射出的光刺激源控制鯉魚機器人的實驗成功率均高于魚眼正上方位置，但魚眼的前上方和后上方位置發射出的光刺激源對鯉魚機器人的控制效果則相差不大，說明從不同角度發射的刺激光源產生的效果可以是不同的。
本研究利用紅色和藍色兩種 LED 光源分別對鯉魚機器人進行水下光控實驗，盡管紅色 LED 燈與藍色 LED 燈的波長不一樣，但我們發現兩種不同光源均可對鯉魚機器人的運動發揮控制作用，光控實驗成功率均在 50% 以上（見表 1）。結果表明，應用本文光刺激裝置及光控方法于暗光環境下在對鯉魚機器人的水下運動控制方面具有可行性與可操作性。由此我們認為，光控方法是控制鯉魚機器人水下運動的一種行之有效的手段。本文中 A 組、B 組、C 組紅色 LED 燈光源的實驗成功率有高于藍色 LED 燈光源的趨勢（見表 1），但兩者之間差異沒有統計學意義（P > 0.05），說明紅色 LED 燈和藍色 LED 燈對鯉魚機器人的控制效果沒有明顯差異，兩者均能有效控制鯉魚機器人的運動，但其機制尚不清楚，有待于將來深入研究。
與電刺激腦運動區來控制動物機器人的方法相比，本文采用的光控方法不需開顱手術植入腦電極，只是把裝置直接固定在動物顱骨上即可，所以可以避免因植入腦電極施加電刺激方法帶來的腦組織損傷、出血、感染、水腫以及動物死亡等問題。
本文光刺激裝置與光控方法在實際應用中，還可用其他波長的光源來更換，只需將原 LED 燈拆下，換上要測試的光源即可，拆裝方便，操作簡單，具有較強的靈活性和實用性。
應用光控方法實現對動物機器人運動的有效控制可以說是一個嶄新的研究課題，目前用于動物機器人的光刺激裝置還很少，現雖有無線光刺激裝置[23]，但該裝置主要是面向鼠等陸地動物使用，不適合用于像鯉魚這樣的水生動物。本文光刺激裝置與光控方法可以用于暗光條件下水生動物機器人運動控制的測試與應用，具有一定的可操作性與實用性。在世界上水生動物機器人領域尚未見有關研究時，我們開展這項科學研究工作也是一次主動探索與積極嘗試，這項研究工作將具有一定的科學研究意義和實際應用價值。
4 結語
本文提出了一種用于鯉魚水生動物機器人的光刺激裝置及光控方法。本文光刺激裝置及光控方法具有不損傷腦組織、可多角度刺激、提供不同波長光源、采用不同形式組合、運用方法靈活、操作簡捷方便的特點。經暗光條件下的鯉魚機器人水下紅光與藍光光控實驗檢驗，應用本文光刺激裝置及光控方法在暗光環境下對鯉魚機器人水下運動的控制方面具有可行性與可操作性。由此我們認為，光控方法也是控制鯉魚機器人水下運動的一種行之有效的手段，有望將來在一定條件下替代電刺激手段實現對水生動物機器人的人為控制。
