上海交通大学通识教育核心课程 环球科学 AMERICAN 20072 是民号：80498 撰文/比尔·盖茨 家家都有机 Research institute of Robotics RoboLab 机器人与脑(5) ANGHAI JIAO TONG UNIVERS 1日回日 W 曹其新、栾楠、张蕾 http://robolab.sjtu.edu.cn/home/zh-hans/node/117 上海交通大学机器人研究所
Research Institute of Robotics RoboLab 机器人与脑（5） 上海交通大学通识教育核心课程 曹其新、栾楠、张蕾 http://robolab.sjtu.edu.cn/home/zh-hans/node/117 上海交通大学机器人研究所
08 5生物电控刹机器人 http://robolab.sjtu.edu.cn 1.生物脑的运动控制原理 2.神经信号的传递 3.肌电信号的获取 4.脑-机接口 5.生物电信号控制机器人 习题 2 RIR.SJTU
1. 生物脑的运动控制原理 2. 神经信号的传递 3. 肌电信号的获取 4. 脑-机接口 5. 生物电信号控制机器人 习题 2 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU 5 生物电控制机器人
5.1生物电控制的原理 http://robolab.sjtu.edu.cn 生物体运动的脑机制 神经系统的最重要和最终的作用是输出信息以控制机体的活动。 这些活动包括躯体和内脏的活动，即骨骼肌的收缩、心肌和内脏平 滑肌的收缩及腺体的分泌等，总称为神经系统的运动机能。 其中以骨骼肌的活动最为突出，一般所指的神经系统的运动机能 即通过骨骼肌的收缩活动所完成的躯体运动机能。人类只有借助于 骨骼肌的活动才能实现对外界输入信息的反应，因此神经系统的运 动机能与感觉机能是密不可分的同时存在的过程。随着生物进化， 脑对运动机能与感觉机能的调控日益完善，特别是对运动机能的一 整套反馈控制系统具有十分重要的作用。 3 RIR.SJTU
5.1 生物电控制的原理 3 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU 生物体运动的脑机制 神经系统的最重要和最终的作用是输出信息以控制机体的活动。 这些活动包括躯体和内脏的活动，即骨骼肌的收缩、心肌和内脏平 滑肌的收缩及腺体的分泌等，总称为神经系统的运动机能。 其中以骨骼肌的活动最为突出，一般所指的神经系统的运动机能 即通过骨骼肌的收缩活动所完成的躯体运动机能。人类只有借助于 骨骼肌的活动才能实现对外界输入信息的反应，因此神经系统的运 动机能与感觉机能是密不可分的同时存在的过程。随着生物进化， 脑对运动机能与感觉机能的调控日益完善，特别是对运动机能的一 整套反馈控制系统具有十分重要的作用
0月8 5.1 生物电空制的原理 http://robolab.sjtu.edu.cn 前视图 后视图 区三头航内朝属 小 4 RIR.SJTU
5.1 生物电控制的原理 4 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU
5.1 生物电控制的原理 http://robolab.sjtu.edu.cn 信息输出与神经系统的运动机能 一、 脑的信息输出的意义 人体内外环境的变化经过感受器和感觉传导途径的活动，最后达 到大脑皮层的一定部位，经过大脑皮层的分析综合，一方面产生主 观感觉，另一方面通达大脑皮层的输出指令，诱发即刻的躯体反射 活动，或者将输入信息作暂时或长久的储存以帮助机体完成以后的 活动。由此看来，感觉是人类认识外部世界的开始，运动是人类对 外界环境施加影响的唯一途径。 有人作了这样的实验，将一种化学物质美洲箭毒注入人体以消除 骨骼肌的活功，用人工呼吸维持气体交换，这时受试者照样接受传 入信息，照样引起神经递质的释放，只是由于箭毒的作用，递质与 肌膜上的受体不能结合，因而大脑的输出指令不能引起肌肉的收缩。 受试者虽然继续有思想、感情、意志，但大脑的活动没有任何外部 的迹象，谈不上对外界环境有什么影响，因为语言、表情、定向注 视能力、肢体活动等都要通过肌肉收缩活动来实现。 5 RIR.SJTU
5.1 生物电控制的原理 5 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU 信息输出与神经系统的运动机能 一、脑的信息输出的意义 人体内外环境的变化经过感受器和感觉传导途径的活动，最后达 到大脑皮层的一定部位，经过大脑皮层的分析综合，一方面产生主 观感觉，另一方面通达大脑皮层的输出指令，诱发即刻的躯体反射 活动，或者将输入信息作暂时或长久的储存以帮助机体完成以后的 活动。由此看来，感觉是人类认识外部世界的开始，运动是人类对 外界环境施加影响的唯一途径。 有人作了这样的实验，将一种化学物质美洲箭毒注入人体以消除 骨骼肌的活功，用人工呼吸维持气体交换，这时受试者照样接受传 入信息，照样引起神经递质的释放，只是由于箭毒的作用，递质与 肌膜上的受体不能结合，因而大脑的输出指令不能引起肌肉的收缩。 受试者虽然继续有思想、感情、意志，但大脑的活动没有任何外部 的迹象，谈不上对外界环境有什么影响，因为语言、表情、定向注 视能力、肢体活动等都要通过肌肉收缩活动来实现
5,1生物电腔制的原理 http://robolab.sjtu.edu.cn (一)高度完善的自我调节能力 像任何自动化信息处理装置一样，脑对输入信 息经过加工处理后就输出信息，产生效应活动。 脑由于在进化过程中获得的优越性能，具有十分 完善的自动调节系统。脑与脊髓不仅向肌肉发出 指令，而且还接受各种反馈信号，使肌肉活动在 力度、范围、方向、速度等方面达到高度精确和 协调，能完成各种灵活多样的复杂活动。例如人 的手有27个自由度，但是目前一般的工业机器人 TYTrade.com 仅有6自由度，而且它的动作远远不如人手灵活。 6 RIR.SJTU
5.1 生物电控制的原理 6 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU (一)高度完善的自我调节能力 像任何自动化信息处理装置一样，脑对输入信 息经过加工处理后就输出信息，产生效应活动。 脑由于在进化过程中获得的优越性能，具有十分 完善的自动调节系统。脑与脊髓不仅向肌肉发出 指令，而且还接受各种反馈信号，使肌肉活动在 力度、范围、方向、速度等方面达到高度精确和 协调，能完成各种灵活多样的复杂活动。例如人 的手有27个自由度，但是目前一般的工业机器人 仅有6自由度，而且它的动作远远不如人手灵活
0月8 5.1生物电控制的原理 http://robolab.sjtu.edu.cn (二)明显的生理局限性 脑的信息输出与信息输入和加工处 理一样，都具有生理局限性，这种局 限性在输出信息方面表现的更为突出， 就是反应速度慢，准确性差，而且容 易疲劳。疲劳主要发生在中枢突触部 位。 史星生置 7 RIR.SJTU
5.1 生物电控制的原理 7 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU (二)明显的生理局限性 脑的信息输出与信息输入和加工处 理一样，都具有生理局限性，这种局 限性在输出信息方面表现的更为突出， 就是反应速度慢，准确性差，而且容 易疲劳。疲劳主要发生在中枢突触部 位
5.1生物电突制的原理 http://robolab.sjtu.edu.cn (三)反复训练的重要性 脑的输出指令要达到有效地控制肌肉的活动，必须经过反复的学 习与训练，特别是对技巧运动潜力的发挥更是如此。反复训练可以 使神经通路的突触机能容易化，这与一台机器达到其预定的设计能 力的过程是不同的。 突触是控制信息传递的部位，它决定神经信号在神经系统内的扩 散方向。神经系统不同区域传来的易化和抑制信号可以会聚到不同 的突触上，通过突触的整合作用。因此反复进行运动训练，可以促 进突触的传递功能，使神经系统的突触机能达到高度的灵活性与准 确性，从而有效地控制信息输出，产生相应的效应器活动。 8 RIR.SJTU
5.1 生物电控制的原理 8 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU (三)反复训练的重要性 脑的输出指令要达到有效地控制肌肉的活动，必须经过反复的学 习与训练，特别是对技巧运动潜力的发挥更是如此。反复训练可以 使神经通路的突触机能容易化，这与一台机器达到其预定的设计能 力的过程是不同的。 突触是控制信息传递的部位，它决定神经信号在神经系统内的扩 散方向。神经系统不同区域传来的易化和抑制信号可以会聚到不同 的突触上，通过突触的整合作用。因此反复进行运动训练，可以促 进突触的传递功能，使神经系统的突触机能达到高度的灵活性与准 确性，从而有效地控制信息输出，产生相应的效应器活动
5.1生物电腔制的原理 http://robolab.sjtu.edu.cn “共同通道” 控制运动的中枢自上而下分级存在于中枢神经系统的各个水平， 包括古老的脊髓和脑干位于大脑皮层的各级脑结构，它们在运动机 能中分别具有不同的作用。 脊髓是最基本的反射中枢。肌肉活动是受多级中枢控制的，从脑 干网状结构、小脑、大脑皮层运动区发出的传出冲动，都要通过脊 面前角运动神经元才能控制和影响肌肉的活动。脊髓前角运动神经 元是肌肉活动的直接指挥者，是把脑与肌肉活动联系起来的最终共 同通路。各级中枢下达的控制运动的信息，有兴奋性的，也有抑制 性的，相互作用的最终环节就是争夺最后共同通路，通过复杂的整 合作用，使某一反射得以实现，这样才能达到反射活动的协调。 9 RIR.SJTU
5.1 生物电控制的原理 9 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU “共同通道” 控制运动的中枢自上而下分级存在于中枢神经系统的各个水平， 包括古老的脊髓和脑干位于大脑皮层的各级脑结构，它们在运动机 能中分别具有不同的作用。 脊髓是最基本的反射中枢。肌肉活动是受多级中枢控制的，从脑 干网状结构、小脑、大脑皮层运动区发出的传出冲动，都要通过脊 面前角运动神经元才能控制和影响肌肉的活动。脊髓前角运动神经 元是肌肉活动的直接指挥者，是把脑与肌肉活动联系起来的最终共 同通路。各级中枢下达的控制运动的信息，有兴奋性的，也有抑制 性的，相互作用的最终环节就是争夺最后共同通路，通过复杂的整 合作用，使某一反射得以实现，这样才能达到反射活动的协调
08 5,1生物电空制的原理 http://robolab.sjtu.edu.cn dorsal root of white matter sensory spinal nerve input lines dorsal root ganglion- motor ventral root gray matter output of spinal nerve lines 10 RIR.SJTU
5.1 生物电控制的原理 10 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU