腦機融合的混合智能系統(tǒng)：原型及行為學(xué)驗證研究.pdf

1、機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。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(fù)雜環(huán)境感知、知識學(xué)習(xí)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(shù)的進步，以及認知科學(xué)、計算機和材料學(xué)等多學(xué)科理論與技術(shù)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。混合智能系統(tǒng)是腦機接口技術(shù)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(fù)、生活娛樂、國防安保等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)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(dǎo)，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(gòu)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(xué)的驗證，

3、具體研究內(nèi)容包括:
　　(1)由機器到鼠腦:大鼠機器人導(dǎo)航的自動訓(xùn)練
　　大鼠機器人用于導(dǎo)航前需要經(jīng)過訓(xùn)練。傳統(tǒng)的人工訓(xùn)練方法費時費力，且無法實時記錄訓(xùn)練數(shù)據(jù)。首先構(gòu)建了可用于導(dǎo)航的大鼠機器人混合智能系統(tǒng)，接著針對人工訓(xùn)練存在的問題，建立了一個可用于替代人工訓(xùn)練的新型混合智能系統(tǒng):基于視頻監(jiān)控的大鼠機器人導(dǎo)航的自動訓(xùn)練系統(tǒng)。提出一種分層、多模塊的自動訓(xùn)練框架來實現(xiàn)機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)練評估和自

4、適應(yīng)調(diào)整四個模塊。實驗結(jié)果表明自動訓(xùn)練系統(tǒng)能夠以較少的時間訓(xùn)練出可用于導(dǎo)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(xué)習(xí)能力、運動能力結(jié)合起來，以達到自動訓(xùn)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(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。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(jié)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(chǔ)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(yīng)“左轉(zhuǎn)”，“運動想

6、象右”對應(yīng)“右轉(zhuǎn)”，以及“眨眼”對應(yīng)“前進”的腦-腦交互范式。在腦電信號解碼方面，結(jié)合共空域子空間分解算法和線性判別分析算法來構(gòu)建在線腦控大鼠機器人系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效完成導(dǎo)航大鼠機器人探索未知環(huán)境的任務(wù)。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(jié)合起來。
　　(4)混合智能的行為學(xué)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