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1、项目名称：人体运动功能重建的生机电一体化科学基础首席科学家：朱向阳 上海交通大学起止年限：2011.11-2016.8依托部门：上海市科委 教育部一、关键科学问题及研究内容2.1 关键科学问题项目以“人体运动执行系统功能再造”、“神经系统功能重塑与修复”、“人机功能集成”为技术突破目标，聚焦以下三个科学问题开展研究：科学问题一：人体运动解析及其运动谱的机械创成人体运动执行系统再造的原理是设计和制造机械运动装置并接入神经控制系统，替代缺失的肢体功能。以手为例，为实现其功能重建，要求假肢复现人手的运动谱并在生机接口支配下完成运动和操作。本项目拟采用运动分治原理设计假肢机构，实现人手的运动谱复制。利
2、用生机接口控制模式运动，保证运动系统与接口的功能匹配，拓展前期研究工作；采用植入式机械智能和自治反射控制功能实现顺应运动、反射运动与模式运动的分治。为此需要研究的问题包括主次运动分治机构的设计原理，运动谱的形成机制与运动分治方法，机械智能设计和植入原理及顺应运动的自治特性，欠驱动机构、机械智能结构、反射运动机构集成设计方法，以及功能结构和功能器件的集约化制造原理。科学问题二：机电刺激驱动的神经功能重塑与调控实验研究表明，感知信息反馈、肢体机械刺激和神经电刺激均可诱发神经功能改变，这一发现为假肢感知系统、神经功能修复装置等研究树立了目标利用外部机电刺激对神经系统的功能进行重塑和调控。但该研究面临
3、的难题是：如何对机电刺激的时空模式进行编码？为此需要探明神经功能重塑过程的动力学特性及其与机电刺激的关联规律，建立机电刺激模式编码与控制原理，研究基于反馈编码信息容量需求的感知系统设计、制造和信息合成方法。该研究的突破不仅可为运动神经功能重塑提供科学基础，也可为假肢的运动感知功能一体化再造提供科学原理和依据。科学问题三：运动功能替代装置的神经接入与控制神经控制系统接入和神经交互是假肢等替代装置的基本功能要求。生物信号是神经系统接入、人机通讯和交互控制的信息载体，从生物信号中识别神经系统的控制信息并控制替代装置运动，是实现神经系统功能延伸和人机功能集成的基础。其基本科学问题是：神经系统的运动控制
4、信息在生物信号中如何表征？研究和发现人体运动信息在生物信号中的特征表现，建立人体运动谱与特征信息的关联模型并揭示其时窗依赖特性，发展短时窗生物信号的实时自适应解码方法，探明生机交互过程中神经系统与生机接口的双向适应机制，是实现生机功能集成的关键。2.2 研究内容项目研究工作围绕上述三个科学问题展开。针对科学问题一，研究“肢体运动谱的机械创成与运动分治”、“主次运动分治机构的协调控制”。针对科学问题二，研究“分布式机械刺激感知系统设计制造原理”、“感知反馈与机电刺激下的神经系统功能重塑”。针对科学问题三，研究“生物信号中人体运动信息识别与自适应解码”。通过理论和技术成果的集成，开展“操作感知一体
5、化灵巧假肢设计制造与功能评估”研究。项目的主要研究内容如下：1）肢体运动谱的机械创成与运动分治建立肢体运动谱模型及面向运动谱复制的主次运动分治机构设计原理，突破灵巧假肢的机构设计技术。研究内容包括：通过人手运动谱解析，研究其特征运动构成及其灵巧操作性能形成的运动学基础，建立灵巧假肢机构设计的主次运动分治新原理。采用欠驱动和耦合驱动设计模式运动机构，并研究机械智能和反射运动功能的植入方法，实现顺应运动、反射运动与模式运动的分治。通过运动分治机构、机械智能结构、反射运动系统的参数协调设计，实现人手运动谱的复制和再现。2）主次运动分治机构的协调控制建立主次运动分治机构的“分治-协调”控制原理，完成灵
6、巧假肢的控制系统研发。研究内容包括：构建运动分治机构的“分治-协调”双闭环控制系统模型。利用仿生学原理建立假肢“感知空间运动空间”的直接驱动模型及传感器、驱动器的配置方法，构建内闭环控制系统，实现反射运动的局部自律及其与模式运动的分治。探明运动分治机构的运动谱形成机制，设计人机交互控制系统，实现模式运动、反射运动与顺应运动的协调及仿人手灵巧操作控制。在理论研究基础上设计和开发灵巧假肢的控制系统。3）分布式机械刺激感知系统设计制造原理建立分布式机械刺激感知系统设计制造的新原理，实现柔性基底高性能触觉感知阵列的制备（空间分辨率1 mm、力分辨率0.1 N），突破感知系统与机械本体的集成制造技术。研
7、究内容包括：根据反馈编码和人工感知的信息需求，研究机械刺激感知系统的信息容量和结构简约化设计方法。研究功能聚合物材料的纳米隧穿及掺杂逾渗增敏方法、三维操控纳米纤维拉伸及柔性基底上定向纤维阵列制造工艺，建立分布式机械刺激感知系统制造的新原理。研究阵列式感知单元的耦合机制和解耦方法，以及面向反馈编码的感知信息合成方法。4）感知反馈与机电刺激下的神经系统功能重塑揭示机电刺激与运动神经功能重塑过程的关联规律，突破感知反馈和机电刺激模式编码和控制技术，为感知功能再造和运动神经功能重塑提供基础。研究内容包括：利用神经电生理、神经功能影像等实验方法，结合心理物理学分析，研究机械刺激和本体感知的信息传入机制及
8、编码模型，建立假肢的机械刺激感知和替代本体感知功能重建方法。利用反馈电刺激和主动刺激实验，研究和发现机电刺激的时空模式对神经功能变化的影响规律，建立面向运动神经功能重塑和调控的刺激模式编码和控制模型。5）生物信号中人体运动信息识别与自适应解码探明运动神经控制信息在生物信号中的特征表现，建立肢体运动信息的解码模型，完成灵巧假肢的高传输率、自适应生机接口研发。研究内容包括：研究生物信号的时域、频域、空间域联合滤波及多元生物信号联合解码方法，探明运动神经控制信息在生物信号中的特征表现，建立肢体运动谱与生物信号特征空间的关联模型。通过主动刺激诱发条件下的生机交互、神经电生理等实验，研究和揭示神经系统与
9、生机接口的双向适应机制，建立自适应解码模型，为灵巧假肢的生机交互接口研制奠定基础。6）操作感知一体化灵巧假肢设计制造与功能评估完成操作感知一体化实验假肢研制。假肢机构设计采用主次运动分治原理，可在生机接口控制下通过运动的“分治-协调”实现仿人手灵巧操作，机构灵巧操作功能和接口性能达到世界先进水平，并完成残疾人实验。研究内容包括：研究运动分治机构、机械智能结构、驱动器、控制器的集约化设计和制造方法，发展感知系统与机械本体的集成制造原理和工艺。建立人体和假肢机械交互界面的生物力学模型，研究人机界面的生物相容性和安全性设计方法。完成“灵”、“活”假肢的研制，构建假肢使用、训练的综合实验平台和实验范式
10、。建立假肢灵巧操作功能和接口性能的评估指标。二、预期目标3.1 总体目标本项目以“灵”、“活”假肢为主要载体，研究生机电一体化康复工程装备设计和制造的新原理。在“运动执行系统功能再造”、“人工感知与神经功能重塑”、“生机交互”等方面形成理论突破，建立人体运动功能重建的工程学方法。以基础研究带动技术创新，提升我国康复医疗装备领域的国际竞争力和可持续发展，并推动生机电一体化新学科的发展。通过本项目的实施，形成一支跨学科的联合研究队伍，建设生机电一体化系统与技术联合研究基地和实验平台，为我国高端康复工程装备的技术发展积聚研究力量并提供基地保障。3.2 五年预期目标在理论研究方面1）主次运动分治机构设
11、计原理：探明主次运动分治机构的灵巧运动和操作功能形成机制，发展欠驱动和耦合驱动设计、运动自适应和阻抗自适应设计、反射运动功能植入及人机集成界面设计方法，建立运动系统功能再造的新原理。2）面向神经功能重塑的反馈刺激编码与控制原理：提出基于选择性反应机制的感知系统设计方法，发展柔性基底感知阵列制造原理。揭示神经功能变化的动力学特性与机电刺激的关联规律，建立基于感知反馈和机电刺激的神经功能重塑与调控方法。3）灵巧假肢的神经控制系统接入与控制方法：发展生理电信号的时域、频域、空间域联合滤波方法，建立生理电信号中人体运动信息的表征模型，揭示生理信号传输特性的环境依赖特性及其动力学变化规律，为人体功能延伸
12、和人机集成提供科学基础。在技术应用方面1）建立人手的运动谱模型，通过运动谱的分解和合成，建立灵巧假肢运动谱及其分解结构的设计模本。2）研制具有仿人手结构生机电一体化实验假肢，内嵌机械智能结构和反射控制功能，可以复现人手运动谱，并在生机接口控制下实现仿人手灵巧操作功能。3）建立仿人手机械刺激感知系统的设计方法，突破功能聚合物定向纳米纤维制备技术和聚合物材料的纳米掺杂增敏技术。柔性触觉传感器阵列空间分辨率小于1mm、力分辨率小于0.1N，具备静、动态感知能力。4）研制高传输率自适应生机交互接口。肌电接口性能指标：解码模式空间大小2030，解码率99%，单次解码时间200ms，并具有连续运动状态解码
13、功能。本项目研究过程中，拟在国内外重要刊物上发表论文300篇以上，其中SCI和EI收录150篇以上，撰写专著24本，申请专利30余项。形成具有重要国际影响的生机电一体化研究队伍；培养一批优秀中青年人才和博士后、博士、硕士100名左右。三、研究方案4.1 学术思路学术思路如图1所示。项目以肢体运动和感知功能再造、神经功能重塑、生机电系统功能集成为技术目标，开展“肢体运动谱的机械创成与运动分治”，“主次运动分治机构的协调控制”，“分布式机械刺激感知系统设计制造原理”，“感知反馈与机电刺激下的神经系统功能重塑”，“生物信号中人体运动信息识别与自适应解码”，“操作感知一体化灵巧假肢设计制造与功能评估”
14、六个课题研究，旨在突破“人体运动解析及其运动谱的机械创成”，“机电刺激驱动的神经功能重塑与调控”，“运动功能替代装置的神经接入与控制”三个科学问题，建立人体运动功能重建的生机电一体化新原理和新方法。以理论研究带动技术创新，突破“灵”、“活”假肢设计制造的关键技术，为生机电一体化康复工程技术的发展做理论和技术储备。图1. 项目的学术思路4.2 技术途径将机械与制造科学、信息科学、神经科学与神经工程学相结合，充分利用神经电生理、功能影像、运动解析等现代实验技术手段，通过理论研究和实验结果的综合揭示人体运动执行系统功能再造、神经功能重塑、生机交互控制与交互感知的基本科学规律。项目实施的技术途径如下：
15、 1） 在运动执行系统功能再造方面，将人体运动学理论与运动解析实验相结合，研究肢体运动的特征属性并建立其运动谱模型。利用储能元网络的自适应能量转换特性，研究具有运动和阻抗自适应特性的嵌入式机械智能结构设计方法，建立无需控制系统干预的机械式顺应原理。根据仿生学原理建立由感知空间到运动空间的直接驱动模型，将神经系统的反射控制功能“移植”到人造运动执行系统中，实现局部自治运动功能。在上述基础上，研究主次运动分治机构设计方法与控制原理，探明主次运动分治机构灵巧操作功能的形成机制，为运动执行系统功能再造提供科学理论。2） 在机械刺激感知系统设计制造方面，运用触觉激励神经生理反应实验研究感受器对激励的选择
16、性反应特性，为感知系统的信息容量设计提供依据。通过固液气多相混合流体仿真和聚合物流体的粘弹性测试实验，发展多层复合功能聚合物材料的纳米纤维定向成丝方法，建立柔性高密度机械刺激感知阵列制备原理和工艺。从假肢的功能要求和反射控制的信息需求出发，研究大容量感知信息的处理和合成方法。3） 在神经系统功能重塑方面，通过主动刺激诱发条件下的生机交互、神经电生理、神经功能影像联合实验，研究和发现神经系统功能变化的动力学规律及其与刺激信号时、频、空域特性的关联规律，在此基础上建立感知反馈和机电刺激模式的编码和控制方法，为感知功能再造与神经功能重塑提供科学依据。4） 在生机交互方面，针对生物信号的复杂统计特性，重点突破生物信号的“时域、频域、空间域”联合滤波和联合特征识别方法，结合肢体运动解析实验，研究和发现生物
