生电混合人造器官的操作系统关键技术研究

One of the key research challenges of artificial organs is how to implement complex control and cooperation functionalities on resource-constrained devices and organs. The rapid development of flexible electronics makes it possible to have bio-electronic hybrid artificial organ operating systems. This project addresses the requirements of control systems for hybrid artificial organs, studies lightweight operating systems and key technologies in order to develop customized operating system for artificial organs, and provide effective systems platform and tool support for developers. We address the following topics: (1) Perform domain-specific customization based on conventional embedded operating systems architecture, and construct lightweight kernel and service-extended cyborgan operating system architecture. (2) Perform reduced-complexity configuration and low-power optimization for operating system instance based on ultra low-power microcontrollers. (3) Develop multi-modal mixed-signal communication models for human bioelectrical signals and flexible electronics signals; optimized implementation of lightweight messaging layer and data packet component layer; and pipeline of filters for human bioelectrical signal processing.

人造器官领域研究的重要挑战之一是如何在资源受限的器件组织上实现复杂控制和协同功能。近年来柔性电子的快速发展使得生电混合人造器官操作系统成为可能。本项目围绕生电混合人造器官控制系统需求，研究轻量化操作系统及关键技术, 针对人造器官实现定制操作系统，为开发者提供有效的系统平台与工具支持。主要研究内容包括：（1）基于传统嵌入式操作系统架构进行领域定制， 搭建基于轻量化内核和服务扩展的操作系统平台架构。（2）基于超低功耗处理器进行操作系统的精简配置和低功耗优化。（3）研发人体生物电信号与柔性电路多模态混合信号通信建模，实现轻量级消息层和数据包组件层优化,以及用于人体生物电信号处理的滤波器流水线。

本课题深入分析了当前生电混合人造器官的发展需求，提取人造器官在未来电子人功能替代、感知增强、认知增强、行为增强等方面的特征要素，评估了操作系统对混合人造器官计算能力、接入能力和协调能力的支持度，提出了轻量化内核和服务扩展的操作系统平台体系结构（简称为Cyborgan OS）。Cyborgan OS分为OS核心、OS服务和云脑等由内向外扩展的三层。核心层是适用于混合人造器官的轻量级操作系统微内核，实现操作系统基础功能；服务层由诸多可裁剪的服务模块构成，运行在微内核之上，提供特定器官控制服务；云脑是具有强大计算能力和通信能力的云端平台，通过手机客户端与人造器官节点进行通信连接，实现了智能分析和算法优化，并对外提供统一服务接口。.本课题在极微型柔性处理器KL02上完成了Cyborgan OS操作系统实例化，基于模块裁剪和内存对齐策略等空间优化方法，使操作系统内核ROM空间占用减少了47%，RAM空间占用减少了8%；匹配硬件低功耗模式，通过设置操作系统运行模式和优化任务唤醒策略来降低系统整体能耗。本课题构建了人造器官体域网，对人体生物电信号进行获取和处理，建立了基于SPI、蓝牙以及WiFi的多模态混合通信模型。最终通过搭建基于反馈控制的人造胰脏和人造心脏原型系统，验证了轻量级生电混合人造器官操作系统及其低功耗设计和多模态混合通信模式的可行性。课题研究期间，关键技术相关内容发表论文9篇，授权专利2项，新申请专利5项，登记软件著作权1项。本课题的研究成果预期未来将在医疗健康以及军事领域具有较好的应用前景。