王振宇 皮喜田，2* 魏 亢 周升山 徐 林 刘洪英 郑小林，2 彭承琳（重庆大学生物工程学院，重庆 400044）

2（重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆 400030）

引言

目前，消化道诊疗设备已从传统内窥镜发展到无创的诊疗胶囊和肠道机器人。但是被动式的诊疗胶囊存在无法控制运动及姿态的缺点；主动式的肠道机器人虽能主动驱动又能在肠道中泊位，但其主动驱动仍然是瓶颈问题［1］。研究表明，基于仿生原理与机电系统相结合的肠道诊疗设备，距离实际应用仍有诸多问题。

对生物机器人的研制始于上世纪90年代，其利用生物的特长代替人类完成人不能或者不敢完成的任务，是目前科技发展最活跃的领域之一［2］。在1997年日本东京大学的Shimoyama等研制的蟑螂机器人，利用蟑螂作为驱动，携带摄像装置等可用于今后的搜救或收集情报［3］；2002年美国纽约州立大学的Talwar等研制出老鼠机器人，利用老鼠作为驱动装置，用于搜救或收集情报［4］；之后，又陆续研制出海龟机器人、鲨鱼机器人、鸽子机器人［5］、昆虫机器人［6］以及壁虎机器人［7］等。由于生物机器人在能源供给等方面具有仿生机器人无可比拟的优势，本研究提出一种“基于微神经电极控制的肠道生物机器人（Intestinal Bio-Robot，IBR）”，其利用生物体携带肠道诊疗装置对肠道进行诊疗，通过电刺激方式对生物体的前进、停止、后退等运动行为进行控制，实现诊疗装置在肠道内主动前进、后退和定点泊位，利用生物体的极高能量效率及最佳运动机制，解决肠道机器人的驱动问题。

目前，控制生物体运动行为的方法几乎都是将刺激电极植入其脑内，实验专业性要求很高，难度大，对生物体的身体损伤大。本文针对所选的生物-黄鳝，利用非条件反射，采用无创或者微创的方式安装刺激电极进行刺激以控制其运动。刺激电极采用两种，一种为穿戴式安装在体表，无创，装卸方便，可重复使用，成本低，具有很好的应用前景；另外一种为植入式，植入到体表皮肤下层，虽然有微小创口，但对其身体损伤小，其刺激位点更加精确，固定效果好。使用该刺激控制系统对所选的黄鳝进行体外刺激实验，刺激反应明显且具有重复性，为今后肠道生物机器人的研制提供重要的参考信息。

1 肠道生物机器人系统结构及原理

所设计的肠道生物机器人系统图如图1所示。其由两部分组成，一部分是进入肠道内的诊疗部分，另一部分是体外控制中心部分。诊疗部分由摄像装置、外壳、生物体、刺激电极、体内控制装置、释药装置组成；体外控制中心由计算机和无线收发装置组成。生物体作为肠道诊疗部分的驱动装置，通过体外控制中心遥控生物体的运动行为，实现肠道诊疗部分的前进、后退和定点泊位。

在生物体的躯干上安装刺激电极之后置于外壳中，在外壳中按照生物体、水、氧气的质量比为1：1：3充入水和氧气，再将外壳密封。外壳头部前端与摄像装置衔接，其尾端与控制装置及释药装置衔接。前端摄像装置对肠道内的图像进行采集，通过无线收发装置传递数据到计算机，然后计算机发射出刺激信号或者释药信号，通过无线收发装置将信号传输到体内控制装置，控制装置接收到刺激信号时，将刺激信号传递到指定刺激电极，对生物体进行刺激以控制其前进、后退和停止；控制装置接收到释药信号时，将释药信号传递到释药装置，在肠道患处定点释药。最终实现进入肠道深部定点控释药物和完成释药后主动退回到体外的目的。

图1 肠道生物机器人系统图Fig.1 Intestinal bio-robot system

2 刺激控制系统设计

2.1 生物体的选取

肠道生物机器人所选用的生物为黄鳝（Mud eel），属硬骨鱼纲、辐鳍亚纲、鲈形总目、合鳃目，合鳃鱼科，黄鳝亚科。

肠道的平均直径在20～50mm，在肠道中运动主要受到两类阻力，一方面来自于肠道组织表面的摩擦阻力，另一方面来自于推开前方塌陷内腔的阻力［8］。所以对肠道诊疗部分的长度、质量、表面和直径等都有一定的要求［9］，基于上述要求同时参考国内外目前研制的肠道机器人，选取体细长，全体裸露无鳞无鳍，体光滑，直径在10mm左右的黄鳝，能够满足对诊疗部分直径、长度的要求。其次，黄鳝适应能力强，在水中含氧量十分贫乏时，也能生存。目前已有将黄鳝密封于袋中，然后通过在袋中按1：1：3的比例灌水和充氧的方法能保证其存活24h［10］。其次，黄鳝行动不甚敏捷，也无攻击性，在外界有刺激时往往选择躲避刺激，这有利于控制其在肠道中前进、后退或者停止。最后，随着黄鳝养殖技术的发展，现在其易于繁殖和饲养，价格也较低廉，能够满足需求。

2.2 运动控制机理

目前对鱼类的神经系统已有了解，黄鳝神经系统可分为中枢神经系统（central nervous system）、周围神经系统（peripheral nervous system）和植物性神经系统（vegetative nervous system）。中枢神经系统包括脊髓和脑，周围神经系统包括脊神经、脑神经，植物性神经系统包括交感神经系统和副交感神经系统［11］。

其参与反射活动的反射弧包括以下几个环节：感受器-传入神经-中枢神经-传出神经-效应器［12］。黄鳝的外感受器-侧线发达，其后侧线位于头后身体两侧各一条，稍向内凹。侧线神经可分为前侧线神经和后侧线神经，后侧线神经是迷走神经的分支，支配躯干部和尾部的机械感受器［13］。迷走神经属于脑神经，其起点在延脑，能将各种感觉冲动传达到中枢神经。

所设计的刺激控制系统利用黄鳝的非条件反射，控制其前进的过程如图2所示。首先，刺激器发出脉冲信号传入后侧线区域，然后通过迷走神经将冲动传达到中枢神经，经其分析、综合活动后产生兴奋，兴奋传递到脊髓，再通过脊髓分配神经控制黄鳝运动的两种能力，一种是使得黄鳝的脊柱的每一横断面向一侧弯曲使肌肉产生爆发力，接着另一侧也如此进行而形成有节奏的交替；另一种是控制协调地沿躯体收缩相邻的节段形成匀整的波形，最终调节其运动实现控制其前进的目的［14］。

图2 控制运动过程Fig.2 Control the movement chart

2.3 刺激电极

2.3.1 刺激电极的设计

所采用的刺激电极分两类：1）表面式刺激电极：由表面贴片微神经电极和固定环组成；2）植入式刺激电极：由针状微神经电极和硅胶管、热缩管组成。

所设计的表面式电极用于躯干部分，其电极为直径2mm的镀金微电极，将电极连接导线后嵌于厚度为0.5mm、宽为15mm的医用硅胶圈内，制成表面贴片微神经电极。依据所选用的健壮成年黄鳝，体长（380±20）mm，躯干部周长（38±3）mm，所制作的硅胶圈直径为10mm，固定环为直径6mm、厚度0.5mm、宽度0.5mm的医用硅胶圈。表面贴片微神经电极的制作流程图如图3所示，所制作的表面贴片微神经电极如图4所示，其具体制作过程为，先在模具上刻出深度为0.5mm、长度为30mm、宽度为15mm的凹槽；将电极固定在凹槽的中间，中心间距为10mm的位置；按10：1的比例配制医用硅胶，之后抽真空，再将其灌注在凹槽内，直至硅胶上缘与凹槽边缘相平；待硅胶完全凝成固态后，将硅胶薄层揭下；然后，将其放入空心的圆柱状模具中，于薄层接头处灌入新的硅胶；待干后取出，圈状的表面贴片微神经电极便制作完成。

所设计的植入式刺激电极用于尾部，由针状微神经电极和硅胶管、热缩管组成。电极为直径0.3mm、长度为35mm的不锈钢针，针柄末端连接直径为0.3mm的铜线，两段绝缘硅胶管分别套于距离针尖5mm处和铜线接头处，热缩管包裹两段硅胶管之间的部分。所制作的刺激电极如图5所示。

图3 表面贴片微神经电极制作流程。（a）模具上刻出凹槽；（b）凹槽内固定电极；（c）凹槽内灌注硅胶；（d）使用空心圆柱状模具；（e）将硅胶薄层放入模具内；（f）在薄层中插入圆柱状模具；（g）向薄层接口处灌入硅胶；（h）表面贴片微电极制成Fig.3 Process of make the surface mount micro-neural electrodes.（a）carve a groove on the mold；（b）the electrodes fixed into the groove；（c）infusion of silicone to the groove；（d）using hollow cylindrical mold；（e）the silica gel thin-layer into the mold；（f）the cylindrical mold inserted in the thin silica gel；（g）pour silica gel into the thin-layer interfaces；（h）the surface mount micro-neural electrodes is made

图4 电极实物照片Fig.4 The kind photo of surface mount micro-neural electrodes

图5 植入式刺激电极Fig.5 Implantable stimulating electrode

2.3.2 刺激电极的安装

表面式刺激电极的安装采用穿戴式，先将黄鳝麻醉，然后将表面贴片微神经电极和固定环从尾部安装到黄鳝的躯干上，如图6所示。

安装植入式刺激电极时，先将黄鳝麻醉，然后置于手术平台上，选取尾部两侧的侧线区域，将针状电极与皮肤表面呈30°～40°角刺入黄鳝的侧线皮肤，当针尖位于真皮层和皮下组织之间的位置时，将针尖保持平行于黄鳝侧线朝头部方向前移，植入针尖的长度为5mm时停止，如图7所示。

图6 安装刺激电极Fig.6 Installation stimulating electrode

2.4 刺激器

2.4.1 刺激参数测定实验

以美国国家仪器公司（National Instruments，NI）的图形编程语言LabVIEW软件和该公司提供的数据采集卡PCI6221设计正相电压脉冲刺激器，进行阻抗、刺激电压、频率、占空比的测定实验。

图7 植入刺激电极Fig.7 Implantation of stimulation electrodes

将黄鳝划分为5个部分，头部、躯干前部、躯干中部、躯干后部、尾部如图8所示，躯干划分的3个部分分别为躯干全长的1/3。测定市购20尾黄鳝的躯干前部、躯干中部、躯干后部、尾部区域里两刺激位点间的体阻抗。为了尽量减少周围水的干扰，采用测定两电极间阻抗的方法。

图8 黄鳝分区Fig.8 Mud eel Division

首先，测定躯干部分不同部位两侧侧线区域间的阻抗，依次测得3个区域里每隔15mm位置的刺激点间的阻抗，再测定尾部不同部位两侧侧线区域间的阻抗，依次测得每隔5mm位置的刺激点间的阻抗，直至尾末端无法植入电极的位置为止，如表1所示，由于黄鳝本身阻抗大，导线及电极的阻抗在计算中可忽略不计。

然后，用相位、幅值、频率、占空比可调的正相电压脉冲刺激器，其前面板如图9所示，在平台上对其躯干和尾部区域做电压测试实验。每次刺激前，将黄鳝置于坐标纸的基准线位置，尽量将身体放直，刺激持续时间30s，待刺激时观察黄鳝的反应，

依据其在基准线两侧的运动范围，判断其刺激反应，判定标准如表2所示。依次测定躯干部分刺激电压阈值如图10所示，刺激电压测定实验的结果如表3所示。再测定尾部刺激电压阈值如图11所示，刺激电压测定实验的结果如表4所示。

表1 测定阻抗实验结果Tab.1 Impedance measurement results

图9 正相电压脉冲刺激器前面板Fig.9 Positive phase voltage pulse stimulator front panel

图10 刺激电压测定实验。（a）躯干后部刺激电压测定；（b）躯干前部刺激电压测定Fig.10 Stimulating voltage measurement.（a）Stimulating the back lateral lines of trunk to measure the voltage；（b）Stimulating the front lateral lines of trunk to measure the voltage

图11 尾部刺激电压测定实验Fig.11 Stimulating voltage measurement

表2 刺激反应判定标准Tab.2 The stimulation determine standard

表3 刺激电压测定实验结果Tab.3 Stimulating voltage measurement results

表4 刺激电压测定实验结果Tab.4 Stimulating voltage measurement results

然后进行频率测定实验，确定在1～5Hz的频率下，黄鳝的反应都稳定。

最后，进行占空比实验，根据占空比和脉宽的对应关系，分别测定占空比范围为0.1％～10％，增长步长0.05％，即脉宽范围为500～5 000μs，增长步长为250μs时，观测实验黄鳝的反应，确定在500～2 000μs范围的脉宽既能使黄鳝出现刺激反应，又不会导致黄鳝出现不良反应。

2.4.2 正相电流脉冲刺激器

为了保证电刺激的效果不随刺激电极间阻抗的变化而改变［15］，在电压测试实验的基础上，采用LabVIEW软件和NI公司的模拟输出模块NI9265设计正相电流脉冲刺激器用于后续实验［16］。刺激电压为2V时黄鳝反应明显、稳定、不剧烈，既对刺激有反应运动又消耗自身能量较慢，所对应的躯干前部刺激电流在1.570～1.986μA，躯干中部刺激电流在1.533～1.976μA，躯干后部刺激电流在1.778～1.848μA，尾部刺激电流在1.667～2μA。所以，最终选用幅值为1.85μA、频率为2Hz，脉宽为750μs的正相电流脉冲用于后续刺激实验。

3 实验方案及结果

3.1 实验方案

在测定实验的基础上，进行塑料薄膜管中和模拟肠道中的体外刺激实验，探索控制黄鳝前进的方法。首先，采用柔性塑料薄膜管模拟真实肠道的柔性环境，通过同时刺激黄鳝后侧线神经的一个或者多个位点，观察刺激反应，从中找出控制黄鳝前进的方法。市购12尾黄鳝进行实验，将其分为4组，每组3尾黄鳝。进行躯干前部、躯干中部、躯干后部、尾部的单刺激位点实验，将其麻醉后安装电极，待其清醒后，置于直径60mm的柔性塑料薄膜管中，施加电流脉冲分别刺激黄鳝躯干前部；躯干中部；躯干后部；尾部的侧线神经区域，每次刺激持续30s，同一实验重复3次，观察其反应。在单位点刺激完成后，将前面4组黄鳝再次麻醉，从躯干前部、躯干中部、躯干后部以及尾部选取两个位点同时刺激，刺激方式同上，观察其反应。

在此基础上，采用模拟肠道模拟真实肠道迂回曲折的环境，模拟肠道直径为15mm、总长为1 000mm，起始段为平直段、后接180°半圆弧和360°圆弧的弯曲段、最后为与水平面呈60°的上升段。市购24尾黄鳝进行实验，将其分为8组，每组3尾黄鳝，分别刺激躯干前部、躯干中部、躯干后部、躯干前部和躯干中部、躯干前部和躯干后部、躯干中部和躯干后部、尾部、躯干前部和尾部侧线区域。每次刺激持续30s，同一实验重复3次，观察其反应。

3.2 实验结果

在塑料薄膜管中完成多次实验后，统计实验结果如表5所示，总结出12尾黄鳝对于各种刺激的反应：施加刺激后，黄鳝均会有逃避刺激的游动运动；当刺激位点在躯干时或者同时在躯干和尾部时，会出现游动运动，如图12所示，但同时也出现卷曲运动，如图13所示，前进位移较小；随着刺激位点的增加，其反应强度也会增加；在各种刺激方式中，刺激尾部的前进效果最好。

表5 塑料薄膜管中刺激实验结果Tab.5 Stimulating result in the plastic film tube test results

图12 游动运动。（a）刺激前；（b）刺激时向前游动；（c）刺激时向前游动；（d）停止刺激Fig.12 Swimming sports.（a）before stimulation；（b）stimulation of swimming forward；（c）stimulation of swimming forward；（d）cessation of stimulus

图13 卷曲运动。（a）刺激前；（b）刺激时向后卷曲；（c）刺激时向后卷曲；（d）停止刺激Fig.13 Curl exercise.（a）before stimulation；（b）stimulation of curled backwards；（c）stimulation of curled backwards；（d）sessation of stimulus

在模拟肠道中完成多次实验后，刺激实验的结果如表6所示，总结出24尾黄鳝置于模拟肠道中对于各种刺激的反应：在刺激躯干中部、躯干前部和躯干中部、尾部、躯干前部和尾部侧线区域时，黄鳝均为前进运动，其中，刺激尾部中段侧线区域时，黄鳝的运动速度最快，如图14所示，统计所采用的刺激位点中出现前进的频率在75％以上的前进速率如表7所示；在刺激躯干前部、躯干后部、躯干前部和躯干后部、躯干中部和躯干后部侧线区域时，黄鳝出现了前进运动，同时也出现了后退运动。

图14 刺激尾部前进。（a）开始刺激；（b）向前运动；（c）向前运动；（d）停止刺激Fig.14 Stimulate the tail to advance.（a）starting to stimulate；（b）moving forward；（c）moving forward；（d）cessation of stimulus

表6 模拟肠道中刺激实验结果Tab.6 Stimulating results in the simulative intestinal tract test results

4 讨论和结论

在塑料薄膜管中，当刺激黄鳝躯干部分时出现卷曲运动，根据出现卷曲运动时，黄鳝会不断去触碰刺激电极；并且将安装刺激电极的部位跟塑料薄膜管的管壁触碰，所以初步分析出现该情况的主要原因是受到刺激后黄鳝经过中枢神经分析，想通过躯体碰触刺激位点的方式去除掉刺激；当刺激位点在尾部时，黄鳝仅有躲避刺激的游动行为，且前进效果好，分析出现该情况的原因是受到刺激后黄鳝经过中枢神经的分析，想通过向前游动远离刺激位点所在位置来摆脱刺激。通过上述实验黄鳝的不同反应，证实了刺激系统对黄鳝运动进行控制的可行性。

表7 模拟肠道中刺激前进速率Tab.7 Stimulating in the simulative intestinal tract forward rate

在模拟肠道中，刺激躯干中部、躯干前部和躯干中部、尾部、躯干前部和尾部侧线区域时，黄鳝均为前进运动，前进位移明显，刺激反应稳定而且具有重复性。其中，刺激尾部中段侧线区域时，黄鳝的运动速度最快，今后，可以采用该方式实现肠道生物机器人的前进驱动。在刺激躯干前部、躯干后部、躯干前部和躯干后部、躯干中部和躯干后部侧线区域时，黄鳝出现了前进运动，同时也出现了后退运动，初步分析出现后退运动的原因有几种：黄鳝想通过后退运动将刺激去除掉；黄鳝想离开模拟肠道的环境，尝试通过后退运动离开模拟肠道。其后退的具体原因还有待于进一步研究。

本研究在选定肠道生物机器人所用生物-黄鳝的基础上，了解其运动控制机理，设计了两种刺激电极，根据电压、频率、占空比测定实验的结果设计了基于LabVIEW的正相电流脉冲刺激器，采用刺激电极和刺激器构成的刺激控制系统进行体外实验。

在塑料薄膜管中的刺激实验：12尾黄鳝对不同位点的刺激出现不同的反应且具有重复性，证实了刺激系统对黄鳝运动控制的可行性。在上述刺激实验中，刺激黄鳝尾部两侧侧线区域时均为前进运动，前进位移明显，前进速度快，反应稳定且具有重复性。今后，可以采用该方式实现肠道生物机器人的前进驱动。

本研究中实验采用的黄鳝虽然在力量上满足需求，但长度和直径都较大，所以今后还需综合考虑力量和体积因素；另外，黄鳝个体之间存在差异，目前的样本量还不足以得出通用的参数阈值，今后还需扩大实验样本量。

由于对肠道生物机器人的研究处于起步阶段，完成整个工程还需要今后的深入研究。本研究对用于控制其运动的刺激控制系统所做的初步研究，可为以后运动控制的研究提供信息。

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