基于动物机器人的植入式专用芯片设计与实验研究

We will further this study based on "robot rat" and "robot bird" which were developed successfully, we plan to design a new implantable ASIC and solve the new problems encountered in our current research process. The research topics include: ① Build the system model of coded electrical signals controlling the nervous system of animal ,and reveal laws of each parameter of coded electrical signals on the control effect of robot animals ② Design implantable ASIC and explore design methods of brain-machine interface for robot animal ③ Conduct research of biocompatibility and package technology of implantable ASIC; ④ Study of the microelectrode device which is suitable for connection with the implantable ASIC, and facilitate the implantation; ⑤ Design a brain-computer interface based on the implantable ASIC, and complete experimental verification. The study can not only solve the main problems affect the development of robo-animal, but also provide a new research methods and ideas, thereby, promote the depth of the study and accelerate the research process of them.. At the same time, the methods and tech in this topic can provide useful lessons for human medical treatment and rehabilitation.

本项目拟在申请人成功研发"机器人鼠"和"机器人鸟"等动物机器人的基础上，将本研究进一步深化，开展植入式专用芯片设计与实验研究，以解决当前动物机器人研究过程中遇到的新问题。主要研究内容包括：①建立编码电信号对动物运动神经系统控制的系统模型，揭示编码电信号各参数对动物机器人控制效果的作用规律②完成植入式专用芯片的设计，探索基于动物机器人的植入式芯片的脑机接口设计方法；③研究生物相容性、植入体封装等相关的基础性问题；④研究适于与植入式芯片连接，且方便植入的微电极装置；⑤最后设计出基于该植入式芯片的脑机接口，并完成实验验证。此项研究不仅可以解决当前影响动物机器人发展的主要问题，而且为动物机器人研究提供一种新的研究方法和思路，从而推动该项研究的深入进行，加快其实用化进程。同时，本课题中的生物体植入式技术可为人类的医疗和康复提供有益借鉴。

本项目源于上一个国家自然科学基金项目（编号：60875068）研究中的新问题，主要任务是研制专用芯片来取代当前所用的控制器，以解决动物机器人接口脱落之问题。. 本项目以专用芯片的设计为研究主线，首先，通过器人鸟导航实验研究，探索出一种多模式神经电刺激方法。它相比单模式电刺激，可减小神经系统的适应性，从而达到更持久地通过神经刺激控制动物运动行为的效果。上述研究为专用芯片确定的工作参数，为专用芯片的设计提供了正确的靶向。同时，在实验研究过程上，本项目探索出一种机器人鸟飞行可控性测评方法和基于模糊控制原理的机器人鸟自主导航方法。上述方法可快速评测机器人鸟飞行状态下的控制性能指标，并获得机器人鸟飞行导航研究所需的先验信息。为机器人鸟的飞行导航及其实用化研究奠定良好的研究基础。. 依据上述研究所获得的芯片的电气参数，本项目首先进行芯片的代码级设计，并结合动物机器人控制实验，完成了基于FPGA的硬件设计和功能验证。并在此基础上，完成了基于TSMC 0.18工艺的专用芯片设计，芯片设计有三个独立的刺激通道，每一通道都可输出满足神经刺激所要求的多模式刺激电信号。专用芯片体积小（裸片面积0.8mm2），功耗低，适应于植入到动物体内或皮下的要求。另外，对数模转换DA单元芯片及高幅值电刺激作了相关研究，为专用刺激芯片的升级设计研究打下基础。. 本项目设计了一种高精度定位的微电极装置，该装置操作方便，且易于与专用芯片集成，克服了分散式电极的不足，优化了刺激电极的植入工艺，提高了动物机器人研制效率及动物机器人的控制稳定性。另外，本项目通过相关实验研究，对刺激电极和电子器件在生物体内的植入式方法开展了研究和探索。. 此外，上述研究中的基于GPS的机器人鸟导航技术被转化为生产力，应用于青岛港轮胎吊车的导航和定位，解决了企业生产中的实际问题。