应用于小型昆虫机器人神经调控的超轻量级无线刺激背包

1.本发明涉及昆虫脑机接口领域，尤其涉及一种应用于小型昆虫机器人神经调控的超轻量级无线刺激调控背包。


背景技术：

2.脑机接口通过建立生物体脑神经和外部电子设备的通路，在神经调控、疾病诊治以及神经科学研究等方面有重要的应用价值。昆虫机器人作为昆虫脑机接口的前沿应用领域，通过使用微电刺激对昆虫神经进行调控，进而实现对昆虫的行为控制。由于昆虫在敏捷性、隐蔽性等方面有其独特的优势，因此，通过无线微电刺激背包与昆虫相结合形成昆虫机器人，将在探测、侦察等应用中有产生重要价值。
3.现有针对昆虫微电刺激背包的研究大多集中于甲虫、蟑螂等体积较大、承载力较强的大型昆虫应用中。通过频率、幅度、占空比可变的微电信号实现对昆虫运动的分级调控。由于大部分昆虫体积较小、承载力较低，现有无线微电刺激背包的体积与重量已经成为其在昆虫中广泛应用的重要限制。
4.昆虫无线微电刺激背包，通过无线接收上位机产生的控制指令，产生刺激参数可变的微电刺激信号。现有无线微电刺激背包都采用射频调制方式进行通信，近年来，2.4ghz射频信号被广泛采用。射频调制所需的高工作频率所产生的巨大功耗需求，使得需要一个大的电池才能满足其工作需求。这使得无线微电刺激背包的重量难以大幅缩减，大多停留在1g左右，难以满足小型昆虫的负载要求。因此，有必要通过无线通信方式以及系统背包系统结构的改进，通过降低系统功耗，进一步降低系统的重量与体积，开发一种低重量、小型化的无线微电刺激背包，以拓展昆虫机器人的研究领域，实现对更多种类昆虫的无线神经调制。


技术实现要素：

5.针对现有昆虫机器人无线微电刺激背包重量与体积大的问题，本发明提出了一种使用低功耗无线通信方式的，可实时接收上位机发出的信号并进行刺激参数配置的小型化超无线微电刺激背包系统结构，降低了无线微电刺激背包的重量与体积，实现了一种可应用于小型昆虫机器人神经调控的超轻量级无线刺激背包，适用于更多种类的小型昆虫。
6.为了实现本发明的目的，采用以下技术方案：应用于小型昆虫机器人神经调控的超轻量级无线刺激背包，包括：包括微型毫米级螺旋结构天线l1、半有源rfid信号调制模块u1、低功耗微型控制器模块u2、能量供应模块c1，通过接收外部rfid信号，产生相应的微电刺激信号，由微线电极传入昆虫脑神经，对昆虫行为进行调制；所述微型毫米级螺旋结构天线l1，由方形螺旋结构线圈组成，线圈圈数不小于2圈、不大于4圈，用于接受射频调制信号所包含的数字信息与能量，用于半有源rfid信号调制模块u1的数据传输与能量供应；
所述半有源rfid信号调制模块u1，接收由微型毫米级螺旋结构天线l1耦合的无线射频能量与无线通信信号，提供自身运行所需的部分能源，将读取到的信息储存在寄存器中，并通过反向散射进行信号返回；所述低功耗微型控制器模块u2，通过使用无外部晶振的低功耗策略运行，用于读取半有源rfid信号调制的无线通信模块的数据，并产生相应的刺激命令，进行微电刺激输出；所述能量供应模块c1，用于提供低功耗微型控制器模块u2工作所需能源，以及提供半有源rfid信号调制模块u1存储单元工作能源；所述微型毫米级螺旋结构天线l1、半有源rfid信号调制模块u1、低功耗微型控制器模块u2、能量供应模块c1，采用二维异质集成工艺加工在同一个pcb基板上进行集成。
7.本发明的有益效果在于：1.传统应用于半有源rfid通信中的天线尺寸通常在厘米级尺寸，大的天线尺寸将对昆虫自由运动造成极大的阻碍，使得传统rfid通信方案不能应用于昆虫无线微电刺激背包中。本发明中的半有源rfid天线通过使用高介电常数pcb基板进行打印，可以在毫米级尺寸下实现良好的射频信号接收效率；通过使用离散接地技术，可以实现天线阻抗可调，实现与rfid芯片之间良好的阻抗匹配。半有源rfid天线尺寸的大幅度缩减，使得背包尺寸得到降低。
8.2.现有应用于昆虫机器人神经调制的无线模块都采用am或2.4ghz数字调频通信，产生相应的调制频率需要相对较大的功耗，通常需要数百毫克重量的电池来提供背包运行所需能量，这使得现有采用无线射频通信的昆虫刺激背包重量被限制在1g左右。本发明通过引入反向散射机制的半有源rfid通信技术，使得无线通信所需的能源部分由外部射频信号提供。所需板上能源得到大幅度减小，使得系统整体重量降低。
9.3. 低功耗微型控制器模块使用降低i2c通信速率的通信方式，以及在睡眠模式和低功耗模式之间进行切换，使得mcu运行时所需的功耗得以大幅的降低，仅使用一个超微型级电容器即可满足其工作所需能源。
10.4.传统无线微电刺激背包中普遍使用封装芯片，封装过程中增大了芯片的体积和重量，使得无线微电刺激背包的集成密度与重量不能得到有效降低。本方案提出了一种二维异质集成技术，可以将未封装的裸片、封装芯片、无源器件以及微型螺旋结构rfid天线集成在同一个超薄的高介电常数pcb基板上，大幅提高了系统的集成密度，并降低了系统的重量。
11.5.现有昆虫机器人大多使用蟑螂、甲虫或飞蛾等大型昆虫建立，这主要是由于无线微电刺激背包的体积和重量的限制。通过微型毫米级螺旋结构天线、半有源rfid通信技术与二维异质集成技术的结合，使得无线微电刺激背包的尺寸和重量得以大幅度减小，能适用于诸如蜜蜂、蜻蜓等较小型的昆虫，提供了更小型化轻重量的神经科学研究工具，扩展了昆虫机器人的研究领域。
附图说明
12.本发明描述的附图只是为了说明所选实施例，而不是所有可能的实施方案，更不是意图限制本发明的范围。
13.图1示出了本发明所提出的应用于小型昆虫机器人神经调控的超轻量级无线刺激背包微系统结构图。
14.图2示出了本发明实施示例的超轻量级无线刺激背包原理图。
15.图3示出了本发明所提出的二维异质集成工艺流程图。
具体实施方式
16.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
17.应用于小型昆虫机器人神经调控的超轻量级无线刺激背包，包括微型毫米级螺旋结构天线l1、半有源rfid信号调制模块u1、低功耗微型控制器模块u2、能量供应模块c1。通过接收外部rfid信号，产生相应的微电刺激信号，由微线电极传入昆虫脑神经，对昆虫行为进行调制。
18.微型毫米级螺旋结构天线l1，用于接受射频调制信号所包含的数字信息与能量，用于半有源rfid无线通信模块的数据传输与能量供应；半有源rfid信号调制模块u1，用于接收由微型毫米级螺旋结构天线l1耦合的无线射频能量与无线通信信号，并通过反向散射进行信号返回；低功耗微型控制器模块u2，用于读取半有源rfid信号调制的无线通信模块的数据，并产生相应的刺激命令，进行微电刺激输出；能量供应模块c1，用于提供低功耗微型控制器模块u2工作所需能源，以及提供半有源rfid信号调制模块u1存储单元工作能源；二维异质集成工艺，用于将微型毫米级螺旋结构天线l1、半有源rfid信号调制模块u1、低功耗微型控制器模块u2和能量供应模块c1在同一个pcb基板上进行集成，以实现应用于小型昆虫机器人神经调控的超轻量级微电刺激背包微系统的电气连接。
19.进一步，还包括用于微型毫米级螺旋结构天线l1打印的高介电常数pcb基板，所述pcb基板的介电常数不小于4.7，用于提高天线辐射效率，实现天线结构的微型化。
20.进一步，还包括能量供应模块c1采用微型超级电容器cph3225a，为低功耗微型控制器模块裸片u2提供工作所需的能源，以及为半有源rfid信号调制模块u1提供数据存储所需能源。
21.进一步，还包括低功耗微型控制器模块u2通过间断开启i2c总线，在睡眠模式和低功耗模式之间进行转换，以降低运行功耗，实现系统在低功耗下工作的程序运行策略。
22.进一步，所述低功耗微型控制器模块u2，读取半有源rfid信号调制模块u1的数据后进行pwm配置，并通过i/o口发送微电刺激信号到微线电极。
23.进一步，还包括二维异质集成工艺中所用的键合线材料，加工温度，以及异质集成的生产加工流程。
24.参照图1，应用于小型昆虫机器人神经调控的超轻量级无线刺激背包微系统中，上位机通过rfid调制器产生射频调制信号，该射频调制信号由rfid发射天线发送。本发明的微型毫米级螺旋结构天线l1将接收到的射频调制信号与能量传送到与微型毫米级螺旋结构天线l1相连的半有源rfid信号调制模块u1。半有源rfid信号调制模块u1利用接收到的射
频能量，进行信号解调，读取出其中包含的信息，写入到其存储单元中。低功耗微型控制器模块u2，通过与半有源rfid信号调制模块u1相连的i2c总线，进行寄存器读取，并根据寄存器中存储的数值，识别左右刺激指令，以及微电刺激信号的频率、占空比、脉冲个数等参数，通过i/o口发出相应的pwm波到微线电极，所述微线电极插入到昆虫大脑中，调制昆虫神经活动，以影响其运动行为。能量供应模块c1用于提供低功耗微型控制器模块u2工作所需能源，以及提供半有源rfid信号调制模块u1存储单元工作能源。
25.参照图2，本发明实施示例的超轻量级无线刺激背包原理图，微型毫米级螺旋结构天线l1，通过使用离散接地技术，进行阻抗调节，与半有源rfid信号调制模块u1进行阻抗匹配，并与高介电常数薄pcb基板结合，实现uhf波段的915mhz中心频率。所述半有源rfid信号调制模块u1采用调制芯片sl3s4011。在rfid通用波段内，可使用市面上大部分rfid读写模块进行无线通信。低功耗微型控制器模块u2采用em78p468n裸片，其重量仅为3mg，通常封装芯片重量在数十毫克。em78p468n通过i2c总线对sl3s4011中的寄存器进行读写，通过在低功耗模式下读取寄存器数据，配置pwm波并通过微线电极发送微电刺激信号。低功耗微型控制器模块u2，采用超低功耗运行的程序运行策略，通过间断开启i2c总线，在睡眠模式和低功耗模式之间进行转换以降低运行功耗。即信号发送完成之后进入睡眠模式，一定时间间隔后再次进入寄存器读取。通过使用外部电阻可调节的rc谐振，产生32khz频率用于系统运行。系统运行无需外部晶振，减小了背包的体积和重量。超轻量级无线微电刺激背包微系统整体运行在微瓦级别，能量供应模块c1仅需选用一个微型超级电容器cph3225a即可满足供电要求，除去了传统无线刺激器所需的锂电池，使得背包微系统的重量得以大幅度降低。
26.参照图3，本发明中采用的二维异质集成工艺方法，将微型毫米级螺旋结构天线l1，与封装芯片、mcu裸片以及无源器件集成在同一个pcb基板上。用于将微型毫米级螺旋结构天线l1、半有源rfid信号调制模块u1、低功耗微型控制器模块裸片u2和能量供应模块c1在同一个pcb基板上进行集成，pcb基板的介电常数不小于4.7。
27.第一步，根据仿真得出的螺旋天线结构，在1mm厚的pcb基板上打印完成微型毫米级螺旋结构天线、器件焊盘、走线以及键合线焊盘。
28.第二步，将无源器件、封装芯片sl3s4011与mcu裸片em78p468n在pcb基板上进行贴装。
29.第三步，使用5ppm铜掺杂的金线在150℃下进行引线键合，将mcu裸片与焊盘连接在一起。
30.第四步，使用环氧树脂覆盖mcu裸片及键合线上，在80℃下进行20分钟的固化。
31.第五步，常温下冷却，形成整体重量在100mg量级的小型化无线微电刺激背包。
32.以上仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。