本文關(guān)鍵詞：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

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【摘要】：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?lè)、國(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,以我們課題組提出的混合智能的系統(tǒng)框架為指導(dǎo),通過(guò)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,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(guò)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)。我們首先構(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(wèn)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)。我們提出一種分層、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。我們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,從而遙控四旋翼飛行器在三維空間內(nèi)移動(dòng)。我們采用綜合運(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(lè)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,我們建立了一個(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)。我們采用“運(yùn)動(dòng)想象左”對(duì)應(yīng)“左轉(zhuǎn)”,“運(yùn)動(dòng)想象右”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,我們結(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)研究工作的基礎(chǔ)上,我們首先設(shè)計(jì)了一種新型的迷宮逃離實(shí)驗(yàn)任務(wù),接著對(duì)大鼠、計(jì)算機(jī)和有計(jì)算機(jī)輔助的大鼠三者在該任務(wù)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有計(jì)算機(jī)輔助的大鼠比單一的大鼠和單一的計(jì)算機(jī)的效果好,從而初步為混合智能系統(tǒng)的智能增強(qiáng)提供了行為學(xué)的驗(yàn)證。所建立的有計(jì)算機(jī)輔助的大鼠迷宮逃離系統(tǒng)是一種新型的混合智能系統(tǒng),其結(jié)合了大鼠的決策能力、運(yùn)動(dòng)能力、感知能力與計(jì)算機(jī)的規(guī)劃能力、感知能力。特別地,該項(xiàng)工作真正實(shí)現(xiàn)了生物智能和機(jī)器智能在多方面的融合。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：1305139