楊尚飛，林龍信，葉 飛

(海軍研究院，北京100161)

0 引言

以海豚、海獅、鯨等為代表的海洋動(dòng)物具備天生的潛水和超聲波定位本領(lǐng)。經(jīng)過訓(xùn)練后，這些海洋動(dòng)物可以按照指令在公?；顒?dòng)；它們靈敏的聽覺和潛水本領(lǐng)，可以完成人類或水下航行器無法完成或難以完成的任務(wù)。同時(shí)，海洋動(dòng)物的行動(dòng)不受水下能源供應(yīng)限制，且具有良好的機(jī)動(dòng)性和隱蔽性[1]。

上述特點(diǎn)使得海洋動(dòng)物在軍事和民用領(lǐng)域具有重要的發(fā)展前景。在一些國家中，海洋動(dòng)物已成為海軍武裝力量的一個(gè)特殊“兵種”。利用海洋動(dòng)物的本能及通過訓(xùn)練養(yǎng)成的反射動(dòng)作，教會(huì)它們某些軍事技能，使其為戰(zhàn)爭服務(wù)，是海軍軍事力量發(fā)展的重要內(nèi)容。

海洋動(dòng)物行為控制技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的主要關(guān)鍵技術(shù)?？刂坪Ｑ髣?dòng)物的行為是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及生物學(xué)、生理學(xué)、MEMS技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)等諸多領(lǐng)域。本文主要對(duì)海洋動(dòng)物的行為控制機(jī)理及海洋動(dòng)物行為控制的主要方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研討，分析海洋動(dòng)物行為控制的國外研究現(xiàn)狀，并提出海洋動(dòng)物行為控制技術(shù)的未來可能應(yīng)用方向。

1 國外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代初，美國海軍成立了海洋哺乳動(dòng)物研究試驗(yàn)基地。圣迭戈海軍基地的海洋系統(tǒng)中心，有百余只海洋動(dòng)物在“受馴”。經(jīng)過多年的研究和訓(xùn)練，美國已初步建立一支主要由海豚、海獅和鯨組成的海洋動(dòng)物特種兵，輔助完成了越南戰(zhàn)爭期間在金蘭灣阻擊越南潛水員、海灣戰(zhàn)爭前夕赴波斯灣反水雷等作戰(zhàn)任務(wù)[2-4]。

2006年，美國海軍水下戰(zhàn)中心啟動(dòng)“鯊魚特工”研究，通過在鯊魚大腦中植入微型電極來遙控鯊魚的行為，將其變成動(dòng)物機(jī)器人，秘密跟蹤敵方艦船運(yùn)動(dòng)，完成各種危險(xiǎn)的間諜任務(wù)。

2010年，美國海軍在弗吉尼亞州海岸訓(xùn)練了一支由數(shù)十只海獅、海豚和巨鯨組成的海洋動(dòng)物搜爆部隊(duì)，其主要任務(wù)是反水雷，同時(shí)也能夠在水下制服恐怖分子。

20世紀(jì)80年代中期，蘇聯(lián)海軍開始模仿美國海軍，制定“海洋哺乳動(dòng)物系統(tǒng)”計(jì)劃，秘密訓(xùn)練海洋哺乳動(dòng)物，設(shè)立了卡查亭灣和海參崴2個(gè)訓(xùn)練中心。1990年初，卡查亭灣中心馴養(yǎng)著大約100只海豚、34頭海獅和2只白鯨。海豚大部分被訓(xùn)練成“看門狗”，而白鯨則用于執(zhí)行自殺性任務(wù)。目前，北方艦隊(duì)已擁有一支由15只受過良好訓(xùn)練的海豹組成的小規(guī)?！八绿胤N分隊(duì)”。它們?cè)谒轮蛋喾派?，不受?yán)酷天氣的影響，確保了戰(zhàn)略核潛艇的安全[5]。

圖1 美海軍戰(zhàn)士對(duì)海豚進(jìn)行訓(xùn)練Fig.1 US naval soldiers train dolphins

印度也是全球能夠指揮海豚從事深海任務(wù)的極少數(shù)國家之一?，F(xiàn)已擁有若干技術(shù)純熟的海豚，并成立“海豚特種部隊(duì)”，專門在敵人艦船下放置具有強(qiáng)烈附著力的炸彈，進(jìn)行攻擊與破壞任務(wù)。

2 海洋動(dòng)物的行為控制機(jī)理

2.1 海洋動(dòng)物行為類型

海洋動(dòng)物的行為主要分為反射運(yùn)動(dòng)、模式運(yùn)動(dòng)和意識(shí)運(yùn)動(dòng)等類型。其中，反射運(yùn)動(dòng)由外界刺激引起，運(yùn)動(dòng)形式固定、反應(yīng)快捷；模式運(yùn)動(dòng)是指運(yùn)動(dòng)形式固定的周期性運(yùn)動(dòng)，具有時(shí)空對(duì)稱的表征，如游動(dòng)；意識(shí)運(yùn)動(dòng)則具有明確的目的性，運(yùn)動(dòng)形式比較復(fù)雜，主要受主觀意識(shí)的支配。這三種運(yùn)動(dòng)行為并不是絕對(duì)獨(dú)立的，海洋動(dòng)物的許多行為往往涉及到上述多種運(yùn)動(dòng)的綜合作用。

研究表明，反射運(yùn)動(dòng)是海洋動(dòng)物中樞神經(jīng)的基本活動(dòng)形式，主要包括條件反射和非條件反射兩種類型。按照巴普洛夫的條件反射理論，條件反射是在一定條件下，外界刺激與有機(jī)體反應(yīng)之間建立起來的暫時(shí)神經(jīng)聯(lián)系，而非條件反射是條件反射形成的基礎(chǔ)。由于非條件反射的內(nèi)部機(jī)理復(fù)雜，短期內(nèi)難以在動(dòng)物行為控制中得到應(yīng)用，故本文僅針對(duì)條件反射進(jìn)行討論。條件反射的建立，極大地?cái)U(kuò)大了動(dòng)物機(jī)體反射活動(dòng)的范圍，增加了動(dòng)物活動(dòng)的預(yù)見性和靈活性，從而使動(dòng)物更能精確的適應(yīng)環(huán)境變化[6]。

2.2 海洋動(dòng)物的條件反射

通常情況下，海洋動(dòng)物的行為控制主要是通過人工電刺激等各種訓(xùn)練方法，訓(xùn)練海洋動(dòng)物形成條件反射運(yùn)動(dòng)，刺激帶動(dòng)其模式運(yùn)動(dòng)，并發(fā)揮其本身具備的優(yōu)良特性，完成人類或水下航行器無法完成或難以完成的任務(wù)。因此，著重從條件反射運(yùn)動(dòng)研究海洋動(dòng)物的行為控制機(jī)理。

1)條件發(fā)射的形成。

條件反射建立在非條件反射的基礎(chǔ)上。形成條件反射的基本條件為：①無關(guān)刺激與非條件刺激在時(shí)間上的反復(fù)多次結(jié)合；②無關(guān)刺激必須出現(xiàn)在非條件刺激之前或同時(shí)；③條件刺激的生理程度比非條件刺激要弱。

以海豚進(jìn)食小魚為例。小魚是非條件刺激，哨聲為無關(guān)刺激。但若在每次喂食小魚之前先出現(xiàn)一次哨聲，然后再喂食小魚，則多次結(jié)合之后，當(dāng)哨聲一出現(xiàn)，海豚即會(huì)出現(xiàn)進(jìn)食反應(yīng)，哨聲便成為了條件刺激。這種建立條件反射的過程稱為強(qiáng)化，這種條件反射又稱為經(jīng)典條件反射。

與此相對(duì)應(yīng)，還存在操作性條件反射，要求動(dòng)物完成一定的操作。例如，海豚偶爾頂?shù)綉覓煸谏戏降钠で驎r(shí)，即喂以小魚，強(qiáng)化這一操作，如此反復(fù)多次，海豚即可學(xué)會(huì)頂皮球而得食。然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步訓(xùn)練海豚，只有當(dāng)出現(xiàn)某一特定信號(hào)(如手勢(shì))后頂皮球，才能得到小魚。此類條件反射的特點(diǎn)是動(dòng)物必須通過自己完成某種運(yùn)動(dòng)或操作后才能得到強(qiáng)化，故稱為操作性條件反射[7]。

2)條件反射的消退。

條件反射建立后，如果反復(fù)應(yīng)用條件刺激而不給予非條件刺激，條件反射就會(huì)減弱，最后完全不出現(xiàn)，稱為條件反射的消退。一個(gè)正在進(jìn)行的條件反射，有可能被突然出現(xiàn)的一個(gè)新的強(qiáng)刺激而被抑制，使該條件反射暫時(shí)消退。條件刺激太強(qiáng)或作用時(shí)間太久，也會(huì)抑制正在進(jìn)行的條件反射?？傊?，為了建立條件反射，使用的條件刺激要固定，強(qiáng)度要適宜，而且要經(jīng)常用非條件刺激來強(qiáng)化和鞏固。否則，已經(jīng)建立的條件反射也會(huì)因受到抑制而逐漸消退。

在海豚、白鯨或其他動(dòng)物的實(shí)際訓(xùn)練中，經(jīng)常會(huì)碰到這樣的情況：一個(gè)訓(xùn)練動(dòng)作動(dòng)物已經(jīng)訓(xùn)練一段時(shí)間并已基本掌握，但突然在某天或某個(gè)時(shí)段動(dòng)物似乎忘卻了這個(gè)動(dòng)作，需要重新加以訓(xùn)練或引導(dǎo)，這稱為暫時(shí)性失憶。

2.3 海洋動(dòng)物的篩選原則

在實(shí)踐中經(jīng)常可觀察到，相同種類的不同動(dòng)物個(gè)體在形成條件反射的速度、強(qiáng)度、精確性和穩(wěn)定性方面，以及對(duì)疾病的抵抗力、對(duì)藥物的敏感性和耐受性等方面，都存在著明顯的個(gè)體差異。這種因大腦皮層的調(diào)節(jié)和整合活動(dòng)存在的個(gè)體差異，稱為神經(jīng)活動(dòng)類型，一般簡稱為神經(jīng)型[8-9]。

海洋動(dòng)物的基本神經(jīng)型主要包括興奮型、活潑型、安靜型和抑制型。其中，興奮型的特點(diǎn)是興奮和抑制都很強(qiáng)，但比較起來，興奮更占優(yōu)勢(shì)；其行為表現(xiàn)是急躁、暴烈、不受拘束和帶有攻擊性，能迅速建立比較鞏固的條件反射，但精確性較差。活潑型的特點(diǎn)是興奮和抑制都強(qiáng)，且均衡發(fā)展，互相轉(zhuǎn)化比較容易且迅速；行為表現(xiàn)為活潑好動(dòng)，對(duì)周圍發(fā)生的微小變化能迅速反應(yīng)，精確性高，能適應(yīng)環(huán)境的復(fù)雜變化，最適宜開展行為訓(xùn)練。安靜型的特點(diǎn)是興奮和抑制都強(qiáng)，發(fā)展也比較平衡，但互相轉(zhuǎn)化比較困難而緩慢；行為表現(xiàn)為安靜、細(xì)致、溫順、有節(jié)制，對(duì)周圍變化反應(yīng)冷淡，能很好地建立精細(xì)的條件反射，但速度較慢。抑制型的特點(diǎn)是興奮和抑制都很弱，一般更容易表現(xiàn)為抑制；行為表現(xiàn)為膽怯、不好動(dòng)、易疲勞，常常畏縮不前并帶有防御性，一般不易形成條件反射，形成后也不鞏固，不能適應(yīng)復(fù)雜變化的環(huán)境，也難于勝任較強(qiáng)和持久的活動(dòng)。

因此，為了使海洋動(dòng)物具備經(jīng)過人類訓(xùn)練后完成指定任務(wù)的可靠能力，在海洋動(dòng)物篩選時(shí)主要關(guān)注基本神經(jīng)型為活潑型的海洋動(dòng)物，如海豚、海豹、海獅、海象、白鯨等。

3 海洋動(dòng)物行為控制的主要方法

如上所述，海洋動(dòng)物行為控制主要是訓(xùn)練養(yǎng)成其完成特定任務(wù)的條件反射，因此，行為控制的主要方法即條件反射的訓(xùn)練養(yǎng)成方法。從各國實(shí)踐來看，海洋動(dòng)物行為控制主要包括操作性條件反射和人工電刺激等2種方法，如圖2所示。

圖2 海洋動(dòng)物行為控制的主要方法Fig.2 Main methods of marine animal behavior control

3.1 操作性條件反射方法

操作性條件反射是一種學(xué)習(xí)過程，其特點(diǎn)是用獎(jiǎng)勵(lì)性手段來強(qiáng)化某種反應(yīng)方式，其理論基礎(chǔ)是桑代克和斯金納的操作性條件反射理論。

訓(xùn)練方式主要包括正面獎(jiǎng)勵(lì)方法和目標(biāo)訓(xùn)練法。正面獎(jiǎng)勵(lì)方法是訓(xùn)練海洋動(dòng)物的最基本方法，如果海洋動(dòng)物能做出指定動(dòng)作，便會(huì)得到食物作為獎(jiǎng)勵(lì)。目標(biāo)訓(xùn)練法是在訓(xùn)練前讓海洋動(dòng)物識(shí)別聲音、哨子、目標(biāo)棒等操作性指令，繼而訓(xùn)練它們將操作性指令與具體的行為或目標(biāo)相對(duì)應(yīng)，從而完成不同的行為動(dòng)作。

在世界各國海洋動(dòng)物行為控制實(shí)踐中，以正強(qiáng)化為主導(dǎo)的操作性條件反射方法占據(jù)主要地位。在具體使用上，主要綜合運(yùn)用正強(qiáng)化、橋接及條件化等方法，通過原強(qiáng)化物和次強(qiáng)化物等建立適宜的強(qiáng)化方式。操作性條件反射方法的運(yùn)用需要熟練掌握海洋動(dòng)物的需求和學(xué)習(xí)心理，要求進(jìn)行大量的調(diào)研和訓(xùn)練。

3.2 人工電刺激方法

動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)行為歸根結(jié)底是由神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控完成的。動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)是一個(gè)分層次的多級(jí)控制系統(tǒng)，其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)存在不同水平的控制中心，如脊髓、腦干下行系統(tǒng)和大腦皮層。根據(jù)該層次結(jié)構(gòu)，我們可以從不同層次對(duì)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行誘導(dǎo)。

人工電刺激方法是以電子信息技術(shù)和神經(jīng)生物學(xué)的交叉融合為背景，通過人工設(shè)計(jì)的腦接口控制器對(duì)海洋動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控誘導(dǎo)，通過訓(xùn)練和強(qiáng)化，使海洋動(dòng)物聽從訓(xùn)練員指令的方法。通過設(shè)計(jì)腦接口控制器，自動(dòng)輸出實(shí)現(xiàn)目標(biāo)行為所需要的電刺激信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)海洋動(dòng)物生成特定行為。

該方法涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括腦接口技術(shù)、腦信息接收處理技術(shù)、腦防護(hù)技術(shù)等。由于生物神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，加之人工電刺激方法不可避免地會(huì)對(duì)海洋動(dòng)物造成一定的傷害，因此，人工電刺激方法的研究稍顯滯后，成功應(yīng)用的實(shí)例也并不多見。實(shí)際應(yīng)用表明，人工電刺激的訓(xùn)練結(jié)果與動(dòng)物個(gè)體差異較為相關(guān)，一方面動(dòng)物的受控程度與所選擇的電刺激脈沖參數(shù)具有很大的相關(guān)性；另一方面，不同動(dòng)物個(gè)體所需要的電刺激脈沖強(qiáng)度也存在較大差異。此外，微電極的植入位置、環(huán)境噪聲以及其它觸覺、視覺等因素的干擾等均對(duì)訓(xùn)練結(jié)果的正確性與及時(shí)性造成影響。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，未來可重點(diǎn)從海洋動(dòng)物運(yùn)動(dòng)行為的神經(jīng)調(diào)控機(jī)理、腦信息接收與處理技術(shù)、生物腦接口控制技術(shù)、生物腦防護(hù)技術(shù)以及操作性條件反射與人工電刺激相結(jié)合的海洋動(dòng)物行為控制技術(shù)等方面展開研究。

4 未來應(yīng)用展望

海洋動(dòng)物行為控制技術(shù)可為海洋動(dòng)物執(zhí)行軍用或民用任務(wù)提供技術(shù)支撐。在相關(guān)技術(shù)研究成熟后，海洋動(dòng)物主要可在水下破障、水下環(huán)境獲取(監(jiān)視與偵察)、水下進(jìn)攻、深水打撈等方向得到應(yīng)用。

圖3給出了利用海豚執(zhí)行深海軍事攻擊任務(wù)的構(gòu)想圖。首先，海豚從母船接受命令，攜帶智能武器向偵查目的地出發(fā)；利用智能武器裝備的聲吶傳感器探測目標(biāo)，向母船發(fā)回探測數(shù)據(jù)，指令控制海豚的運(yùn)動(dòng)軌跡；智能武器探測到目標(biāo)后，向母船發(fā)出信號(hào)報(bào)告當(dāng)前位置，由母船指揮中心判斷是否執(zhí)行任務(wù)；智能武器接到母船的命令后，啟動(dòng)自動(dòng)分離裝置和海豚分離，進(jìn)行自主航行，并跟蹤目標(biāo)；海豚返回母船；智能武器靠近目標(biāo)后，根據(jù)螺旋槳發(fā)出的噪音、螺旋槳附近的水流和水溫，貼近螺旋槳，執(zhí)行任務(wù)。

圖3 海豚執(zhí)行遠(yuǎn)程深海任務(wù)構(gòu)想圖Fig.3 Conception diagram of dolphins performing long-range deep-sea missions

需要指出的是，不同應(yīng)用的執(zhí)行過程可能有所不同，但利用海洋動(dòng)物行為控制技術(shù)控制海洋動(dòng)物執(zhí)行軍事任務(wù)的核心均是海洋動(dòng)物接受母船操控指令，攜帶不同的任務(wù)載荷向目的地出發(fā)，利用攜帶的傳感器探測目標(biāo)，向母船發(fā)出信號(hào)報(bào)告當(dāng)前位置及態(tài)勢(shì)，由母船指揮中心判斷是否執(zhí)行任務(wù)。接收到母船命令后，啟動(dòng)自動(dòng)分離裝置將任務(wù)載荷與海豚分離，由任務(wù)載荷執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

海洋動(dòng)物行為控制技術(shù)的發(fā)展，使我們可以充分利用海洋動(dòng)物具有的機(jī)動(dòng)靈活、隱身性強(qiáng)、不受水下能源供應(yīng)限制等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在未來的海洋開發(fā)、利用及海洋權(quán)益爭奪中發(fā)揮越來越重要的作用。為此，需針對(duì)海洋動(dòng)物的行為控制機(jī)理及操作性條件反射方法和人工電刺激方法進(jìn)行持續(xù)深入研究，通過理論分析和訓(xùn)練實(shí)踐，逐步提高海洋動(dòng)物行為的可控性和海洋動(dòng)物行為控制的可靠性。