动物群体协同行为的便携式神经调控系统的制作方法

本发明涉及群体生物学系统、智能控制、脑科学及动物行为的神经生物学领域，尤其是涉及动物群体协同行为的神经调控系统。

背景技术：

自然界动物群体中，单个个体的能力有限，但它们在群体交互作用中却能呈现出作为整体的群体智能特性，能够协同完成艰巨任务。与对单个动物行为的简单局部规则研究相比，对动物群体的研究则是协调的全局行为研究。研究动物群体行为机制和规律对理解自然生物中的复杂现象具有重要意义，另外这种生物学系统的研究能够启发工程学群体系统（大规模机器人群体、无人机群等）的研究。

近年来，蜂群、鸟群、鱼群等动物的群体运动行为（即蜂拥行为）引起越来越多的关注。研究人员对蜂拥行为中“碰撞规避、速度匹配和相互聚集”规则进行了大量研究。但是目前因缺乏直接获取动物群体行为数据的有效手段，这些研究还停留在模拟建模层面。随着脑科学与脑机接口的飞速发展，现有技术已经能够实现对动物行为的调控，但是这些对动物行为的调控仅仅是对单个动物个体的调控，无法做到对多个动物行为进行同步调控，缺乏有效的手段用来人为的对动物群体进行调控。

通过对动物进行微电流刺激从而控制群体的运动行为，能够为蜂拥行为究及建模提供新的手段。从群体的角度探究动物行为，控制动物群体进行协同工作，提高任务执行效率，为动物群体的蜂拥行为建模、围捕行为建模及编队控制等研究提供基础，也为后期开展脑脑交互研究提供一个思路，为同步解析不同动物个体脑电信号差异提供前提条件。因此，迫切需要研制一种能够同时调控多个动物行为的系统。

技术实现要素：

本发明目的一方面在于提供一种动物群体协同行为的便携式神经调控系统，从全局的层面对受试动物群体行为的机制和规律进行研究。另一方面提出了一种对多个受试动物行为同步进行神经调控的手段，实验员可以同时控制多只受试动物做出不同的运动行为，从而实现对受试动物群体的控制。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述动物群体协同行为的便携式神经调控系统，包括用户控制端和指令发射器构成的指令发射单元、多个穿戴式多通道动物行为神经调控器；

所述用户控制端，用于实验员通过控制界面发送控制指令同步控制多个动物行为神经调控器；

所述用户控制端包含刺激通道选择模块、刺激参数调节模块、动物目标组调控模块、实验方案管理模块、实验记录模块、目标反馈模块；

所述指令发射器，用于同步控制多个所述动物行为神经调控器，指令发射模块含有第一微控制器和第一无线通信模块；

所述动物行为神经调控器，用于穿戴在每个受试动物身上，每个动物行为神经调控器包含第二无线通信模块、第二微控制器、微电流刺激模块、GPS定位模块、环境感知模块及数据存储模块；

所述微电流刺激模块，用于产生类似于神经电信号的恒流微小电刺激，用于作用于受试动物脑区；

所述动物行为神经调控器具有四个独立的刺激通道，不同的刺激通道用于作用于受试动物不同的脑区，从而控制动物不同的运动行为；

所述GPS定位模块，用于定位受试动物的地理位置；

所述环境感知模块，用于获取受试动物周围的温度湿度等信息；

所述数据存储模块，用于存储动物的GPS数据及环境数据；

所述刺激通道选择模块，用来调控动物行为神经调控器产生微电流刺激的通道；

所述刺激参数调节模块，用来设置微电流刺激脉冲的脉冲长度、频率、占空比、脉冲间隔、脉串数、刺激电流值；

所述动物目标组调控模块，用来选择要控制的目标动物组合；

所述实验方案管理模块，用来管理实验方案，预先设定多种实验方案，实验时直接选择各方案即可；

所述实验记录模块，用来显示发送的控制指令并在后台记录整个实验过程中各个调控参数；

所述目标环境反馈模块，用来显示目标的位置信息及周围环境信息。

动物脑区；所述恒流微小电刺激参数调控范围为：刺激通道1-4个，脉冲频率25Hz-10000Hz；占空比1%-50%，双向脉冲宽度1us-20000us，脉冲串数0-255个，每个脉冲串中的脉冲个数0-255个，脉冲串间隔100ms-25s，微电流强度0-400uA。

所述目标环境反馈显示目标的位置信息及周围环境信息；用户控制端接收到目标的GPS数据及环境数据，实验员根据这些数据实时监测各个受试动物，并不断调整刺激参数，从而形成闭环调控系统，动态地控制受试动物群体进行协同工作。

所述动物行为神经调控器包含两种工作模式：

模式一：每个动物行为神经调控器中的射频模块目标地址和本机地址均相同，单个动物行为神经调控器中内部有各自唯一的编号；所述指令发射器发送控制指令，所述控制指令中包含目标组编号；所述物行为神经调控器接收到指令首先解码目标组编号，若和内部编号匹配则执行相应任务，若和内部编号不匹配则继续等待下次指令到来；

模式二：每个所述动物行为神经调控器中的射频模块目标地址相同，但是本机地址各不相同；所述指令发射器本机地址动态更改目标地址；所述动态更改目标地址为，根据所选目标组不断更改目标地址为目标物行为神经调控器的本机地址，向目标组中的目标依次发送控制指令，目标接收到属于自己的指令后执行相应任务。

本发明优点在于不仅能控制单个受试动物，还能对多个受试动物进行实时控制，实现通过一个PC机用户控制端同时对多个受试动物进行不同的行为控制，同步控制不同受试动物同时做出相同或不同的运动行为，实现对受试动物群体的控制。同时能够实时监测各个受试动物所处的环境参数及位置信息，实验员根据这些数据不断调整刺激参数，从而形成闭环调控系统，达到动态高效地控制受试动物群体进行协同工作。本发明动物行为神经调控器具有两种工作模式，支持多个动受试物群体行为研究实验范式，易于扩展，通用性强。本发明为受试动物群体的蜂拥行为建模、围捕行为建模及编队控制等研究提供了新的手段，为开展脑-机-脑交互研究提供了新的思路，具有重大的应用价值和实验需求。

附图说明

图1是本发明所述系统的整体结构示意图。

图2是本发明所述指令发射单元的电路原理框图。

图3是本发明所述动物行为神经调控器的电路原理框图。

图4是本发明的调控流程框图。

图5是本发明的目标寻址流程框图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，本发明所述的动物群体协同行为的便携式神经调控系统，包括PC机用户控制端、指令发射器、多个穿戴式多通道动物行为神经调控器；PC机用户控制端选择为便携式计算机，内置有友好的用户操作界面，包含刺激通道选择模块、刺激参数调节模块、动物目标组调控模块、实验方案管理模块、实验记录模块、目标反馈模块、“发送”按钮、“停止”按钮、“结束”按钮；刺激通道选择模块用于调控神经调控器产生微电流刺激的通道；刺激参数调节模块用于设置微电流刺激脉冲的脉冲长度、频率、占空比、脉冲间隔、脉串数、刺激电流值；动物目标组调控模块，用来选择要控制的目标动物组合；实验方案管理模块用来管理实验方案，可以提前设定多种实验方案，实验时直接选择各方案即可；实验记录模块用来显示发送的控制指令并在后台记录整个实验过程中各个调控参数；目标环境反馈模块用来显示目标的位置信息及周围环境信息，用户（实验员）根据这些信息实时监测各个动物，从而能够动态高效地控制动物群体进行协同工作。指令发射器含有第一微控制器及第一无线通信模块，与计算机之间采用USB通信的方式传输信息，通过第一无线通信模块与动物行为神经调控器进行数据传送。穿戴式多通道动物行为神经调控器包含第二无线通信模块、微电流刺激模块、GPS定位模块、环境感知模块及数据存储模块，微电流刺激模块可以产生类似于神经电信号的恒流微小电刺激作用于动物脑区，具有四个独立刺激通道，不同通道作用于受试动物不同脑区，从而控制受试动物不同的运动行为；GPS定位模块定位受试动物的地理位置，环境感知模块获取受试动物周围的温度、湿度等信息，数据存储模块存储受试动物的GPS数据及环境数据。受试动物群体中每个个体穿戴一个动物行为神经调控器，动物行为神经调控器与受试动物植入电极之间通过电极接口相连；当动物行为神经调控器通过第二无线通信模块接收到控制指令之后，主控芯片（第二微控制器）对接收到的数据进行解码，并控制电路产生相应微电流刺激；动物行为神经调控器采用3.3V作为工作电压，通过升压电路模块将工作电压升至23V左右，为恒流电路模块供电；通过通道选择模块在相应通道施加刺激。不同通道的微电流刺激控制受试动物不同的行为，通过改变刺激通道及刺激强度，实现对受试动物行为的神经调控。动物行为神经调控器可以向用户控制端发送GPS数据及环境数据，便于实验员实时监测与高效调控。

如图4所示，实验时实验员选择要控制的目标群体、调节神经调控的参数及神经调控的通道，当控制指令调好之后，实验员点击“发送”按钮把指令传输给指令发射器；实验时，实验员也可以直接选择实验方案管理模块中设置好的实验方案而不再需要调节控制参数；刺激通道、刺激参数可根据实验中常用指标设置初始值，动物目标组初始为空，如果实验员没有选目标而选择发送指令，系统会报错并提示用户选择要控制的目标；指令发射器接收到控制指令后，经过第一微控制器处理后通过第一无线通信模块把控制指令发送出去。动物行为调控器接收到控制指令后，经过解码分析处理，产生相应的微电流刺激，同时可以向上位机（便携式计算机）传送当前受试动物的GPS数据及环境数据，实验员通过用户界面实时监测，根据不同情况动态调整各个受试动物的运动行为，从而实现动态高效地控制受试动物群体进行协同工作。实验员点击“结束”按钮则结束本次实验。

如图5所示，实验员控制端与多个动物行为神经调控器之间有两种模式同步通信：模式一：各个动物行为神经调控器中的射频模块目标地址和本机地址均相同，单个动物行为神经调控器中内部有各自唯一的编号；指令发射器发送控制指令，控制指令中包含目标组编号；动物行为神经调控器接收到指令后首先解码目标组编号，若和内部编号匹配则执行相应任务，若和内部编号不匹配则继续等待下次指令到来；模式二：各个动物行为神经调控器中的射频模块目标地址相同，但是本机地址各不相同；指令发射器本机地址动态更改目标地址；所述动态更改目标地址为，根据所选目标组不断更改目标地址为目标动物行为神经调控器的本机地址，向目标组中的目标依次发送控制指令，目标接收到属于自己的指令后执行相应任务。

本发明原理简述如下：

1、用户控制端：

PC机用户控制端用于实验员对受试动物群体协同行为进行神经调控的控制，主要进行刺激通道选择、刺激参数调节、动物目标组调控、实验方案管理、实验进程观察、目标监测、实验进程控制。用户界面比较友好，操作简洁，易于不同实验员操作，实用性较强。

2、指令发射器：

指令发射器在实现动物行为神经调控器与用户控制端之间起到桥梁作用，用于两者之间的通信，指令发射器接收到控制指令之后对数据进行再处理并打包发送给动物行为神经调控器；指令发射器接收到动物行为神经调控器返回的数据后，通过处理并传输给用户端。指令发射器中的第一无线通信模块使用射频通信方式，第一无线通信模块具有可编程的本机地址和目标地址，可以动态更改本机地址和目标地址，具有功耗低、通信距离远等优点。指令发射器与PC机以USB通信的方式传输数据，与第一无线通信模块以串口通信的方式传输数据。

3、动物行为神经调控器：

动物行为神经调控器用于接收控制指令并对受试动物施加微电流刺激从而实现对动物行为的神经调控，同时向上位机反馈地理位置信息及环境数据，便于实验员实时监测受试动物并动态高效地控制受试动物群体协同工作。动物行为神经调控器包含第二无线通信模块、第二微控制器、微电流刺激模块、GPS定位模块、环境感知模块及数据存储模块，受试动物群体中每个个体穿戴一个动物行为神经调控器；微电流刺激模块含有升压电路模块、恒流电路模块、通道选择模块，可以产生类似于神经电信号的恒流微小电刺激作用于受试动物脑区，具有四个独立刺激通道，不同通道作用于受试动物不同脑区，从而控制受试动物不同的运动行为； GPS定位模块用于定位受试动物的地理位置；环境感知模块用于获取受试动物周围的温度、湿度等信息；数据存储模块用于存储受试动物的GPS数据及环境数据。动物行为神经调控器使用第二无线通信模块与指令发射模块进行通信，当动物行为神经调控器接收到控制指令后控制恒流电路模块及通道选择模块产生不同通道、不同强度的微电流刺激，并通过电极接口把微电流刺激施加到受试动物相应脑区，从而实现对受试动物行为的控制。动物行为神经调控器可以向上位机传输地理位置及环境数据，用户根据这些数据实时监测各个受试动物，并不断调整刺激参数，从而形成闭环调控系统，动态高效地控制受试动物群体进行协同工作。

为了验证本发明的可用性，实验员对两只脑部植入电极的大鼠的运动行为进行同步控制，进行四组实验，分别是：同时控制大鼠A和大鼠B向右运动；同时控制大鼠A和大鼠B向左运动；同时控制大鼠A向右运动、大鼠B向左运动；同时控制大鼠A向左运动、大鼠B向右运动。实验结果显示该发明能够对两只大鼠的运动行为进行同步控制，此结果表明本发明能够对受试动物群体协同行为进行神经调控。