仿生机器鼠与模式鼠自然交互及行为控制

A robotic rat can generate controllable motion patterns to stimulate model rats to generate specific actions, and this feature will significantly improve the controllability and reproducibility of animal experiments. However, the behavioral interaction between the biomimetic robot and model animal has a low similarity with the interactions of real animals. Consequently, to realize a more natural robot-rat interaction, we need to urgently address the following two basic scientific problems: design of robotic mechanism and sensing system from the point view of bionics, and natural behavior expression and control based on the study of the characteristic of animal interaction. .In this proposal, we will make basic theory innovations for both natural perception and behavior expression. First, we will conduct research on the mechanism of animal’s behavioral interaction, and seek the essential characteristics of natural interaction. Second, we will analyze the biological structure of model rats, and design a rat-inspired flexible mechanic structure. Third, we will discover the perception mechanism of model rats’ whiskers, and develop a macro-micro cilia tactile sensor and its fusing algorithm with the visual feedback. Then we propose to use imitation learning method to realize bionic behavioral expression and control, and eventually to perform a natural interaction with model rats. These research works will correspondingly solve the key scientific problems of natural interaction mechanism, rat-inspired tactile perception, and animalized behavioral expression. Finally, this study will provide new research directions for biomimetic robots, and it can also provide new approaches for the animal behavioral research.

利用仿生机器鼠可控的运动刺激模式鼠产生特定的动作行为，能更好地提高实验的可控性和再现性。但是，当前仿生机器人与模式动物行为交互仿生程度偏低，不能实现自然的生物刺激。因此，通过研究模式鼠行为交互特性，从仿生学角度设计机器人机构及传感系统，研究仿生机器人行为的自然表达和控制，是实现仿生机器鼠与模式鼠自然交互亟需解决的基础科学问题。.本项目将从自然感知和行为表达两方面进行基础理论创新，研究模式动物灵活行为交互机制，探索自然交互本质特征；分析模式鼠生物结构特征，设计面向自然交互的类鼠柔性机构；揭示模式鼠胡须感知机制，研究宏微跨尺度仿鼠微纤毛触觉及视觉交叉感知；提出行为模仿学习算法，解决机器鼠行为的自然表达和控制，最终实现与模式鼠的自然交互。本项目将解决模式鼠自然交互机制、仿鼠微纤毛触觉自适应感知、机器鼠交互行为的动物化表达等相关科学问题，为仿生机器人研究提供新思路，并为动物行为学研究提供新途径。

本项目通过研究模式鼠行为交互特性，从仿生学角度设计机器人机构及感知系统，从功能上模拟模式鼠跟踪、攀压等动作，实现了仿生机器人行为的自然表达和控制，为动物交互、认知、学习的研究提供新的验证平台。首先，提出了提取关键运动关节的仿鼠映射方法，建立了模式鼠-机器鼠自由度映射关系，有效解决了有限尺度下微小型机器人多自由度设计的难题。通过分析模式鼠触觉感知特性，建立了微触觉传感信息模型，为灵活行为交互过程的仿生感知提供基础。其次，通过结构参数优化实现了动物化耦合腰部机构设计，提高了机器鼠运动范围与运动稳定性。基于较高的机电一体化程度，具备了长时间与模式鼠智能自主交互的硬件条件，为行为自然交互控制提供了基础。然后，设计了集成在机器鼠头部的胡须感知系统与双目视觉感知系统，赋予了其感知周围环境和模式鼠的能力。基于深度学习算法,结合视觉-运动映射模型,实现了机器鼠对模式鼠的定位与跟踪，为达到灵活的自然交互提供重要基础。最后，对机器鼠的行为表达进行了静态性和动态性评价，建立了运动基元库以及行为交互仿真平台，实现了对模式鼠复杂自然运动的模仿和控制。通过在仿真平台中训练机器鼠适应仿真模式鼠的行为模式，产生与其匹配的动作序列，模拟了与模式鼠交互过程中接近与跟随特性。.通过本项目研制出机动灵活、体型小巧、具有多元感知的仿生机器鼠，可应用于极端环境下的狭窄空间探测，服务国家公共安全。同时，利用机器鼠与模式鼠的交互行为研究，可为动物行为研究和神经类药物筛选提供新的研究思路。