蜜蜂简单行为诱导及光流刺激下锋电位发放的研究

【摘要】：昆虫机器人是以昆虫为载体,结合控制模块形成的一种新型动物机器人系统。这类特殊机器人借助载体本身运动能力,不需要考虑复杂的机械及动力系统,在科学研究、国防安保、工业生产等领域有广泛的应用前景。刺激与行为之间的关系以及与运动相关的神经肌肉系统的研究是昆虫机器人实现的重要基础。本文以蜜蜂为昆虫载体,重点研究如何使用电刺激诱导蜜蜂翅膀振动和停止,以及光流刺激模式下蜜蜂视叶区神经元锋电位(spike)发放采集与分析。 ①电刺激是实现动物机器人最常用的手段。采用电脉冲刺激与运动相关的神经肌肉系统可诱导载体产生一定的运动行为响应。本文采用正负交替脉冲刺激固定和半自由两种状态下的蜜蜂的视叶、触角叶、背纵肌、背腹肌等位点,观察蜜蜂行为反应。实验结果表明刺激参数为4V-40Hz-5ms-30(脉冲幅值-频率-宽度-个数)的电脉冲刺激视叶能以60%以上(10只蜜蜂)的成功率诱导蜜蜂翅膀开始振翅,90%以上的成功率诱导振翅停止；十只蜜蜂振翅前平均反应时间为0.885s,振翅时间为9.35s。本文研究不同参数刺激时蜜蜂的反应时间和振翅时间。实验发现刺激参数存在一个阈值(3.5V-40Hz-0.1ms-25),超过阈值,蜜蜂开始振翅；同样存在一个最大值,刺激参数超过这个值后,振翅时间维持稳定,甚至有下降趋势。建立包含S型函数和指数函数的数学模型,拟合刺激参数与振翅时间的定量关系,得到最佳刺激参数为4.8V-55Hz-1.2ms-25。 ②本文采用LED灯阵列设计条纹刺激信号,给蜜蜂左右复眼提供不对称光流刺激,采集蜜蜂视叶区神经元锋电位发放信号。分析锋电位信号波形的峰峰值,滤除干扰信号,统计单位时间内神经元锋电位的发放次数。实验结果表明台灯照射下蜜蜂视叶神经元锋电位发放信号比正常光照下激烈。并且左右视叶发放率的高低与光流刺激强弱是一致的。当左边复眼受到的光流刺激比右边复眼强烈时,左边视叶神经元的发放率比右边视叶高。反之依然成立。