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将小强打造成机甲战士,玩转脑机通信

将小强打造成机甲战士,玩转脑机通信

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将小强打造成机甲战士,玩转脑机通信

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进入到二十一世纪,神经义肢技术得到了飞速发展,那什么是“神经义肢技术”呢?熟悉星球大战的科幻粉一定还记得,天行者卢克的手臂被黑暗武士砍下后安装的机械手臂,机械手臂可以像正常手臂一样和手臂上残存的神经纤维进行通信。

在现实世界中,有很多人由于脊髓受损而瘫痪在床,但是他们的四肢上的肌肉仍然是正常的,只是由于中间传输信号的神经中断,导致大脑发出的“我想动一动”的信号没能发送到四肢的肌肉中。

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好了,回到神经义肢技术的概念。如果有一个能够“读出”来自大脑的控制信号,并用它来刺激肌肉或肢体的机器人,这就是神经义肢。事实上,早在2008年匹茨堡的研究小组就是用这种技术训练在大脑中植入电极的猴子控制机械臂喂食以养活自己!

当然,还有我们熟悉的人工耳蜗,通过对神经施加脉冲电刺激以让大脑产生与真实声音类似的效果,让失聪患者重新听到声音,截止目前已有几十万的失聪患者从中受益。

这个“Backyard Brains”怪咖团队由密歇根大学的一群毕业生组成,其组建的目的是为了向学生提供神经科学教学和普及工作,让原本存在于实验室的神圣之物进入到大学、中学甚至小学的教室中,当然不只是像我们小时候接触的“蛙跳反射”实验那么简单,而是探究神经网络与电信号之间的关系,今天主要介绍的“赛博小强”则是其中的一个耗时不到两个小时的小实验。

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熟悉电子硬件或Arduino的朋友可以发现这套硬件主要由两部分组成:一个是与手机通信的低功耗蓝牙芯片,另一个则是与小强“通信”的天线,外加一些LED等元件和一块锂电池。天线的顶部是比头发丝还要细的0.003″银线,其与小强触角的神经纤维接触。三根天线除两根接小强的两个触角以控制方向外,剩下的一根则要接地形成回路。

其实,在这之前已有很多大学和研究机构取得了显著的成果:康奈尔大学研究机构能够识别出控制蛾子飞行的各种信号,亚利桑那州立大学建造了一个由蛾子神经系统控制的机器人,伯克利研究员实现了控制象鼻虫的飞行。

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用昆虫大脑控制的小车

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遥控象鼻虫飞行

说了这么多,为什么用小强呢?

其实最为重要的是,小强遍地都是,尤其在温热潮湿的南方,并且很多人将小强作为宠物来饲养,其次就是生命力非常强,饲养简单,最后呢,就是他们能够背负二十倍于自身体重的物体,毕竟这里用到的电路板比较初级笨重。

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**左边为成年小强,右侧为改装后的“赛博小强” **

“赛博小强”究竟是如何实现的?

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就像很多昆虫一样,小强在头部也有两根触须,其作用是通过触觉和味觉为小强进行导航。

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当突触感受到刺激后,将信号通过神经纤维向上传递给大脑。

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当大脑接收到信号后,感受到危险接近时则迅速反应逃跑,这也是为什么当你突然开门时,门后的小强迅速四散奔逃的原因。

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上面提到的比头发丝还细的两根银线就是要与触须顶端的神经末梢接触,这样,控制器产生的电脉冲信号才能由神经纤维传递到小强的大脑中,以达到控制小强的目的。

这与当今世界各地大学和医院正在进行的神经工程是十分相似的,目前治疗帕金森氏病史就是用55Hz的电脉冲信号刺激丘脑底核。

好了,原理明白后,开始给小强做手术吧!

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第一步:手术台。

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虽然我们即将面对的是打不死的小强,但是为了提供成功率,一个完(jian)备(lou)的手术台还是需要的:案板、冰块、胶枪、镊子、剪刀等。

第二步:将电极固定在小强上

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冰冻将小强麻醉

为了避免小强在手术过程中活蹦乱跳,不小心扭断胳膊腿的,手术前首先要将其麻醉,虽然没有特效药,但是小强作为冷血动物还是有特别的办法。低温会导致冷血动物降低新陈代谢从而进入“睡眠”状态,达到麻醉的目的。在冰块中放置2-5分钟,当观察到小强停止移动并且触碰腿时没有任何反应,则说明进入到了睡眠状态。

一旦完全进入睡眠状态后,小心的将小强从冰块中取出放在手术台上,然后用砂纸轻轻的打磨背面坚硬的蜡质外壳直至粗糙到能够用胶水固定牢。

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用胶水将电极接头固定在外壳上。

第三步:固定地线

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这里唯一需要注意的是,小强也有“脊髓”!打空时别破坏各种神经纤维和器官即可。

第四步:连接电极

这一步是整个手术过程中最为关键的一部,如果剪错位置或接触不良,恐怕只能再重新找只小强了。

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在小强触须3-6mm的位置剪断将银线插到触须中,然后用胶枪固定。

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多余的线用胶枪固定在顶部。

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完成之后就可以把它放回饲养箱,就这样随取随用,随时听后召唤的“赛博小强”完成了一大半。

第五步:安装接收器

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最后,将接收器与电极接口固定,“赛博小强”就完成了,并且还能用手机控制。

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虽然整个过程看起来有些“残忍”,但对于向大学生或中学生普及神经系统和生物知识,小强不失为一个物美价廉的研究样本。

还记得之前广受欢迎的手势识别控制器Myo么?这之间能有什么关系呢?Google OpenBCI EEG 能发现不少有趣的东东。

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