本发明涉及生物控制领域，尤其是一种将光刺激与电刺激相结合控制鲤鱼水生动物机器人运动行为的方法。
背景技术：
人类对动物进行生物行为控制是当今世界一个崭新的高科技前沿领域，通过对动物行为的有效控制可执行多种任务，可以应用于灾难搜救、环境监测、水下勘探、海洋生态环境研究等民用及军事应用领域，是具有潜在的广泛应用前景的重要领域。
2002年，美国纽约州立大学将微电极植入鼠脑，成功研制出基于奖赏机制的机器人大鼠，通过电信号编码控制其前进、左转、右转、越过障碍物或攀缘等；2006年美国《新科学家》周刊报道，美国国防部高级研究计划署将电极植入鲨鱼脑中，刺激大脑功能区，远程控制鲨鱼活动，将鲨鱼改造成“秘密间谍”跟踪船只；2009年，日本对硬骨鱼类的中脑进行了研究，通过刺激器刺激金鱼中脑内侧纵束核，成功实现了控制其前进和转向运动。在我国山东科技大学首先研制成功了基于奖赏机制的小白鼠机器人，成功遥控控制其左右转、前进、转圈等动作，迈出了国内动物机器人研究的第一步。2007年，浙江大学开发出大鼠遥控导航及行为训练系统，实现了对大鼠的控制。2008年，南京航空航天大学研制了壁虎机器人。
刺激是能引起细胞或组织发生反应的机体内外环境的变化。刺激的类型有多种，如机械、化学、温度、光、电等。神经在接受刺激时，在刺激部位产生的电位变化就会以一定的传播速度导向肌肉，引起肌肉的收缩与舒张，进而产生不同的动作，此为动物产生运动行为的神经生物学原理。
鱼脑中有控制运动的神经中枢，运动中枢对骨骼肌的紧张性有调节作用。所以，人类可以通过生成模拟电刺激生理信号，刺激鱼脑运动区及神经可产生相应的动作，从而可以达到控制其行为运动的效果。通过电刺激脑运动区进行动物机器人的行为控制是目前常用的控制模式。
在水生动物生存的环境中，有很多生态因子，其中光是一个复杂的生态因子，它具有多方面的生态作用。光照对水生动物行为的影响是多方面的，可以影响着水生动物的趋光和集群等行为。动物的趋光与其视力有关，不同的种类，同一种类不同的发育阶段，因其视力的变化，表现出了不同的趋光行为。如幼鲱鱼(周显青,牛翠娟,李庆芬.光照对水生动物行为的影响[j].动物学杂志,1999(2):46-48.)，在较高光照强度下呈现趋光性，随着光照强度的减弱，趋光行为也有所减弱，当光照强度低于某一阈值时，表现为背光性,在极低的光照强度下，背光性也消失。光谱成分对水生动物的趋光性也有很大影响，幼鲱鱼对黄绿光表现为趋光性，随着发育时期的不同，对不同的光谱成分表现出的趋光性有所不同。
光刺激诱导究其本质是将电信号转化成光信号，经视觉感受器感受光刺激后传入神经中枢，神经中枢感知光信号后对其进行分析，以判别是否为危险信号。动物对所判别的危险信号会进行闪避，由此可以作为诱导其运动的生物学基础。
目前控制动物机器人的常规方法多采用单一的电刺激方式，但长时间的电刺激对动物脑组织的损伤较大，缩短了其生存期，且多次刺激还可出现疲劳性和适应性，从而影响控制效果，因此需要在不影响控制效果的前提下减小对实验动物的损伤，减弱其对单一模式刺激的疲劳性和适应性。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种将光刺激和电刺激相结合应用于鲤鱼水生动物机器人行为控制中、避免鲤鱼对单一刺激方式产生疲劳性和适应性的光电刺激相结合的鲤鱼水生动物机器人行为控制方法。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法步骤如下：
步骤1，取健康成年鲤鱼，体重(1.03±0.14)kg，体长(吻部到最后一片鱼鳞)(32.16±1.05)cm，将鲤鱼置于0.36g/l丁香酚溶液中进行药浴麻醉；
步骤2，将麻醉后的鲤鱼放在脑立体定位仪上固定，利用电子计算机断层扫描(computedtomography,ct)及磁共振成像(magneticresonanceimaging,mri)进行定位与导航，借助数显式脑立体定位仪将含有脑刺激电极的电刺激搭载装置固定在鲤鱼头部；
步骤3，将光刺激搭载装置固定在鲤鱼头部，所述光刺激搭载装置的led灯光源为红光或白光；
步骤4，将控制台通过导线与电刺激搭载装置和光刺激搭载装置相连接，并向两个装置传输电信号；
步骤5，将鲤鱼机器人放入实验水池中，待其苏醒后，在暗光环境下进行实验，交替进行光刺激与电刺激或将两者同时进行刺激来控制鲤鱼机器人的水下运动，并记录鲤鱼机器人对刺激发生反应的电学参数和时间参数。
进一步的，步骤2中，电刺激搭载装置由刺激电极4、参考电极5、图钉6、搭载底座7组成；用图钉将搭载底座装置固定在鲤鱼颅骨表面，电极共有4根，其中3根作为刺激电极，根据鲤鱼控制左转向、右转向和前进运动的脑运动区坐标值，将刺激电极经搭载底座的圆孔和颅骨的钻孔植入鲤鱼脑运动区；其中另1根为参考电极，将参考电极经搭载底座的圆孔和颅骨的钻孔植入鲤鱼颅骨的其他部位，刺激电极和参考电极均用焊锡固定在搭载底座上。其中3根刺激电极和1根参考电极通过导线与控制台相连接，用于接收控制台电信号。
进一步的，步骤3中，光刺激搭载装置由万能板切割而成一个“王”字型结构，将用作刺激光源的led灯固定焊接在万能板上的跳线板的两端，每个led灯均从其正负极引出导线，所有led灯负极焊接在一起，led灯正极连接控制台信号输出端以接收刺激信号；在“王”字型万能板中间跳线的中部安装图钉。
与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：将光刺激与电刺激方式相结合在暗光环境下对鲤鱼机器人进行刺激，可根据需要选择单一刺激方式或联合刺激方式，光刺激与电刺激交替使用解决了鲤鱼机器人对单一刺激方式产生的疲劳性和适应性问题；光刺激与电刺激联合使用不仅增强了控制效果，还可减轻长时间进行电刺激造成的脑组织损伤效应，延长鲤鱼机器人的生存期，并可以对其进行更为复杂的行为控制。
附图说明
图1为本发明方法控制原理的示意图；
图2为鲤鱼机器人光刺激搭载装置的示意图；
图3为鲤鱼机器人电刺激搭载装置的示意图。
附图标号：1为万能板；2为led灯；3为图钉a；4为刺激电极；5为参考电极；6为图钉b；7为搭载底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明方法利用ct及mri进行定位与导航，并借助脑立体定位仪将自制的电刺激搭载装置固定在鲤鱼头部，同时将光刺激搭载装置也固定在鲤鱼头部，通过控制台向光刺激装置与电刺激装置发送电信号，利用光刺激与电刺激控制鲤鱼机器人水下运动。
本发明方法的具体步骤如下：
步骤1，取健康成年鲤鱼，体重(1.03±0.14)kg，体长(吻部到最后一片鱼鳞)(32.16±1.05)cm，将鲤鱼置于0.36g/l丁香酚溶液中进行药浴麻醉；
步骤2，将麻醉后的鲤鱼放在脑立体定位仪上固定，利用电子计算机断层扫描(computedtomography,ct)及磁共振成像(magneticresonanceimaging,mri)进行定位与导航，借助数显式脑立体定位仪将含有脑刺激电极的电刺激搭载装置固定在鲤鱼头部；
步骤3，将光刺激搭载装置固定在鲤鱼头部，所述光刺激搭载装置的led灯光源为红光或白光；
步骤4，将控制台通过导线与电刺激搭载装置和光刺激搭载装置相连接，并向两个装置传输电信号；
步骤5，将鲤鱼机器人放入实验水池中，待其苏醒后，在暗光环境下进行实验，交替进行光刺激与电刺激或将两者同时进行刺激来控制鲤鱼机器人的水下运动，并记录鲤鱼机器人对刺激发生反应的电学参数和时间参数。
实验结果表明，光刺激与电刺激同时进行时成功率高于单一刺激；光刺激与电刺激都会随着刺激时间的延长成功率降低，原因是由于刺激时间的延长，鲤鱼机器人对刺激产生适应性和疲劳性，且长时间不间断的电刺激还会对鲤鱼脑组织造成损伤。
为克服上述弊端，采用光电交替刺激和光电结合刺激实验。研究表明交替使用光刺激与电刺激能够有效减缓鲤鱼机器人对刺激的适应性和疲劳性，避免了在实验中反复调整刺激参数，使在相同的刺激参数下能有较长时间的稳定控制效果。将光刺激与电刺激两种方法相结合，可以增强暗光环境中对鲤鱼水生动物机器人运动行为的控制效果。
如图3所示，电刺激搭载装置由刺激电极4、参考电极5、图钉b6、搭载底座7组成；用图钉b将搭载底座装置固定在鲤鱼颅骨表面，电极共有4根，其中3根作为刺激电极，根据鲤鱼控制左转向、右转向和前进运动的脑运动区坐标值，将刺激电极经搭载底座的圆孔和颅骨的钻孔植入鲤鱼脑运动区；其中另1根为参考电极，将参考电极经搭载底座的圆孔和颅骨的钻孔植入鲤鱼颅骨的其他部位，刺激电极和参考电极均用焊锡固定在搭载底座上。其中3根刺激电极和1根参考电极通过导线与控制台相连接，用于接收控制台电信号。
如图2所示，光刺激搭载装置由万能板1切割而成一个“王”字型结构，将用作刺激光源的led灯2固定焊接在万能板上的跳线板的两端，每个led灯均从其正负极引出导线，所有led灯负极焊接在一起，led灯正极连接控制台信号输出端以接收刺激信号；在“王”字型万能板中间跳线的中部安装图钉a3。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。