פלטפורמה ניסויית לחקר ביצועים לולאה סגורה של המוח מכונת ממשקים

אנו משתמשים בפעילות של תא עצב בין-חזותי במוח הזבוב, תא H אחד, כדי לשלוט במנועים של רובוט נייד. הרובוט מונח על פטיפון המסתובב כל הזמן ופעילות התא משמשת לייצוב הרובוט ביחס לסביבה כנגד תנועות חיצוניות. תמונות של תנועת דפוס שהוקלטו מהרובוט נדגמות ונשלחות לשני צגי CRT ממוחשבים, הממוקמים מול הזבוב.

האותות של תא H אחד הנמדד בקוצים לשנייה מצביעים על מהירות תנועת התבנית. לאחר מכן מוחלים חוקי בקרה שונים כדי להמיר את הקוצים המוקלטים לשנייה לאות בקרה עבור מנועי הרובוט. היי, אני Navita Josh ממעבדת Holger Crops במחלקה לביו-הנדסה אימפריאל קולג' בלונדון.

אני כריס פיטרסון, גם הוא ממעבדת גביעי הולגר. היי, ואני הולגר קאפ. היום נראה לכם הליך ליצירת ממשק מוח-מכונה בין תאים בודדים במערכת הראייה של הזבוב לבין רובוט.

אנו משתמשים בהליך זה כדי לבחון את הביצועים של אסטרטגיות בקרה שונות באמצעות אותות עצביים כדי לשלוט במערכות רובוטיות בתנאי שפה סגורה. אז בואו נתחיל. כדי להתחיל להכין את הזבוב, יש לקרר אותו על קרח, ולאחר מכן להשתמש במקלות קוקטייל קהים כדי להחזיק את הכנפיים כלפי מטה ולקבע את גב הזבוב לחתיכת סרט דו צדדי במיקרוסקופ החלק הבא, השתמש בשעוות B כדי לחבר את הכנפיים למגלשה וגם כדי לחסום את פעולת מנוע הטיסה.

שלב זה דורש טיפול מהיר ומדויק כדי שהזבוב לא יתחמם במהלך ההליך. כעת, מתחת למיקרוסקופ, החזיקו כל רגל במלקחיים והשתמשו במספריים קטנים כדי לחתוך אותם במפרקים הקרובים ביותר לגוף. חזור על זה עבור החרטום.

כדי למנוע את התייבשות הזבוב, יש לאטום את החורים בשעווה. לאחר מכן, חתכו את אחת הכנפיים ואז סובבו את הזבוב על צדו. הסר את כל חתיכות הכנף שנותרו תוך כדי היציאה מהקטרה, כסה את קרעי האל ואטום את החור בשעווה.

חזור על הליך זה עבור האגף השני. כדי לעורר נוירון מטרה בצורה מוגדרת, ראש הזבוב צריך להיות מיושר כראוי עם צגי המחשב. לשם כך תזדקק למחזיק מותאם אישית בעל מרחב רחב לגוף הזבוב ותוספת בקצה אחד עם חתך חריץ בו יונח צוואר הזבוב.

הנח את הזבוב על המחזיק כשצווארו בחריץ, לחץ אותו כלפי מטה תוך הדבקת הבטן במקומה. כעת, הניחו את מחזיק הזבוב במעמד כך שתוכלו לראות את החלק הקדמי של ראש הזבוב דרך המיקרוסקופ. ניתן לראות את הזבוב באור אדום ובתופעה אופטית שנקראת אישון מדומה, בכל עין.

אם האישון הפסאודו לובש צורה מסוימת, אז הכיוון של ראש הזבוב מוגדר בצורה מושלמת. השתמש במניפולטור מיקרו כדי לכוון נכון את ראש הזבוב ולאחר מכן השתמש בשעווה כדי להדביק אותו למחזיק. לאחר מכן, לחץ על בית החזה כלפי מטה שטוח ושעווה אותו למחזיק.

זה מאפשר לפתוח את קפסולת הראש האחורית כך שניתן יהיה להכניס אלקטרודות למוח הזבוב השתמש באזמל מיקרו או במחט הזרקה עדינה כדי לחתוך בזהירות חלון לתוך הקוטיקולה של קפסולת הראש הימנית. היזהר לא לחתוך את הרקמה העצבית ממש מתחת לציפורן. לאחר הסרת חתיכת הציפורן, הוסיפו כמה טיפות של תמיסת רינגר.

השתמש במלקחיים כדי להסיר שערות צפות, משקעי שומן או רקמת שריר שעלולים לכסות את לוחית ה-LOA. ניתן לזהות את לוחית ה-LOA על ידי תבנית הסתעפות אופיינית של קנה הנשימה הכסוף המכסה את פני השטח האחוריים שלה. חותכים חור קטן לתוך הציפורן של קפסולת הראש האחורית השמאלית למיקום אלקטרודת ייחוס כשהמעוף מוכן.

בואו נראה כיצד למקם את אלקטרודת ההקלטה. יש למקם את אלקטרודת ההקלטה בסמיכות לנוירון H one. תא העצב H one מגיב בעיקר לתנועה אופקית אחורה לחזית המוצגת לשדה הקליטה שלו.

כדי למקם את אלקטרודת ההקלטה, השתמש בקנה הנשימה כנקודת ציון חזותית. בתחילה הניחו את האלקטרודה בין קנה הנשימה העליון. זה עוזר להשתמש במגבר שמע כדי להמיר את הפוטנציאלים החשמליים המוקלטים לאותות אקוסטיים.

כל ספייק בודד הופך לצליל לחיצה אופייני. ככל שהאלקטרודה מתקרבת לנוירון בודד, כך צליל הלחיצה נעשה ברור יותר. כדי לזהות את הנוירון H one באמצעות העדפת התנועה שלו, יש לעורר אותו בתנועה בכיוון האופקי.

עם אלקטרודת ההקלטה במקומה, בואו נעבור לגירוי חזותי והקלטות. כדי להתחיל, הניחו זבוב מול שני צגי מחשב CRT. מכיוון שמערכת הראייה של הזבוב מהירה פי 10 מבני האדם, המסכים חייבים להציג 200 פריימים לשנייה.

מרכזי המוניטורים בפלוס מינוס 45 מעלות ביחס לכיוון הזבובים. כפי שניתן לראות מקו המשווה של עין הזבובים, כל צג זווית של פלוס מינוס 25 מעלות באופק ופלוס או מינוס 19 מעלות במישור האנכי. הקלט לצגי המחשב מסופק על ידי שתי מצלמות וידאו המותקנות על רובוט SRO דו-גלגלי קטן שהוסב לניסוי.

מקם את הרובוט על פטיפון בתוך אזור גלילי שקירותיו מרופדים בדוגמה של פסים בשחור ולבן בכיוון אנכי. על ידי סיבוב הפטיפון במישור האופקי, תנועות הרובוט מוגבלות לדרגת חופש אחת בלבד. בתחילה, גם הפטיפון וגם הרובוט נמצאים במנוחה.

כאשר הפטיפון מתחיל לנוע, סיבובו נושא את הרובוט באותו כיוון, ומצלמות הווידיאו מתעדות את התנועה היחסית בין הרובוט לתבנית הפסים של הזירה. מצלמות הווידאו המופעלות על ידי סוללות ברובוט מותקנות בכיוון של פלוס מינוס 45 מעלות. הם מצלמים 200 תמונות בשנייה כדי להתאים לקצב הפריימים של צגי המחשב מול יומן הזבובים.

התמונות המוצגות לצגי המחשב במהירות של 200 פריימים לשנייה ברזולוציה של שש 40 על ארבע 80 בקנה מידה אפור. בזמן שהזבוב צופה בתנועות של הקלטת תבנית הפסים, הרצועה עברה מסוננת. לדוגמה, בין אותות חשמליים של 302 קילו-הרץ עם לוח רכישה דיגיטלי באמצעות קצב דגימה של לפחות 10 קילו-הרץ, מוחל סף על האותות החשמליים המסוננים שעברו בפס כדי להפריד את הדוקרנים מפעילות הרקע.

מסנן חצי גאוס סיבתי מתפתל עם הקוצים כדי לקבל אומדן פעילות זינוק חלק עבור תא H אחד כדי לסגור את הלולאה של ממשק מכונת המוח. אלגוריתם בקרה משמש להמרת קצב הזינוק של תא H אחד למהירות רובוט, המוזנת בחזרה באמצעות ממשק Bluetooth כדי לשלוט בשני מנועי DC המניעים את גלגלי הרובוט. גלי סימן טהורים נבחרים כפרופילי מהירות לפטיפון.

לגלי הסימן יש היסט DC כך שהפטיפון מסתובב רק בכיוון שמגרה את הנוירון H אחד בכיוון המועדף עליו. כל מערכת הבקרה מוגדרת כך שגירוי של נוירון H one מביא לכך שהרובוט מפצה על תנועת הפטיפון כאשר הוא מוגדר נכון. ייצוב חזותי מושג כאשר סיבוב הנגד של הרובוט תואם את סיבוב הפטיפון, וכתוצאה מכך תנועת דפוס מועטה או ללא תנועת דפוס על צגי המחשב.

הביצועים הכוללים של המערכת תלויים באלגוריתם הבקרה המשמש לסגירת הלולאה. האלגוריתם הראשון שאנו בודקים הוא בקר פרופורציונלי שבו מהירות הרובוט המעודכנת פרופורציונלית להפרש במהירויות הזוויתיות בין הרובוט אומגה R לפטיפון אומגה P. ערכים שונים עבור הרווח הסטטי. KP ותדרי קלט עבור אות הפטיפון אומגה P נבחרים לבדיקת ביצועי הבקר.

עקבות לדוגמה עבור אומגה P ואומגה R מוצגים כאן עבור KP שווה לאחד ותדר כניסה של 0.6 הרץ עבור אומגה P, הרובוט בירוק עוקב אחר הפטיפון בכחול עם פיגור ומשרעת שיא קטנה יותר. המרכיב האופקי של תנועת הדפוס המגרה את התא H אחד מוצג מימין בתדרי קלט אדומים עבור אות הפטיפון. אומגה P נבחרים בין 0.03 לשלושה הרץ, ואות הרובוט המתאים אומגה R נרשם.

שני האותות הופכים לתחום התדרים על ידי טרנספורמציה מהירה של ארבע שנים, וערכי המשרעת והפאזה מחושבים בתדר הכניסה. תרשים גודל ה-BO d עבור הבקר הפרופורציונלי עם KP שווה לאחד מראה את תגובת המערכת על תדרי הקלט שנבדקו. ביצועי הבקר בדרך כלל יורדים עם הגדלת התדרים.

הרווח המוגבר מעט בהרץ אחד הוא תוצאה של תנודות באות הרובוט עקב שימוש בתא H אחד בלבד שטווח הפלט הדינמי שלו מכסה בעיקר תנועה אופקית אחורה לקדמית. תרשים הפאזה של Bodhi מציג פיגור פאזה של בקר פחות מ-PI עבור תדרי קלט נמוכים מ-0.6 הרץ. זה מראה שהבקר יציב עבור תדרים נמוכים מ-0.6 הרץ ולא יציב עבור תדרי כניסה גדולים או שווים להרץ אחד.

הביצועים של הבקר הפרופורציונלי עם KP סטטי הושוו עם בקר אדפטיבי שבו הערך עבור KP מתעדכן כל 50 אלפיות השנייה. מבוסס על קצב הספייק השיא. F max מחושב על פני מרווח זמן T מינוס 500 מילישניות T.As כתוצאה מחלון זמן האינטגרציה הגדול, הבקר הפרופורציונלי מתפקד טוב יותר מהבקר האדפטיבי עבור טווח הפרמטרים שנבדק, לבקר האדפטיבי היה מאפיין פאזה דומה לבקר הפרופורציונלי, דפוס הדירוג סביב הפטיפון הוסר וסביבת המעבדה שימשה כקירוב של קלט חזותי נטורליסטי עבור תא זבוב H אחד.

בממוצע, תרשים גודל הבודהי עבור הקלט החזותי הנטורליסטי הראה רווחים מעט גבוהים יותר מזה עם קלט חזותי מדורג, כנראה מכיוון שהטווח הרחב יותר של תדרים מרחביים בתמונות חזותיות נטורליסטיות מנוצל. מאפייני עלילת שלב הבודהי לדירוג לעומת קלט חזותי נטורליסטי היו דומים. זה עתה הראינו לכם כיצד ליצור ממשק מוח-מכונה בין תא לבין חמש מערכות הראייה ורובוט.

ישנם כמה שלבים קריטיים במהלך הליך זה. ראשית, הימנעו מחתכים עמוקים במהלך פתיחת קפסולת הראש כדי למנוע פגיעה במוח. שנית, מקם את האלקטרודה בזהירות כך שהיא תרשום רק מתא אחד שאנו רושמים מתא H אחד.

שלישית, שמרו על לחות המוח כל הזמן ומנעו ממנו להתייבש. אז זהו. תודה על הצפייה ובהצלחה בניסויים.