[科普中国]-中枢模式发生器

中枢模式发生器是产生动物节律运动行为的生物神经环路，它由一系列神经振荡器组成，是神经振荡器与多重反射回路系统集成在一起组成的一个复杂的分布式神经网络。

简介**中枢模式发生器Central pattern generators (CPGs)**是一种不需要传感器反馈就能产生节律模式输出的神经网络。研究表明，即便缺少运动和传感器反馈，CPGs仍能产生有节律的输出并形成"节律运动模式"。一个CPG必须具备如下条件方可被视为节律发生器：1

两个或更多的过程相互作用并且彼此因果性地变化

在如果上相互作用的影响下，系统反复回到初始状态。

运动是动物维系个体生存和种族繁衍的基本功能之一。运动一般可分为三大类:反射运动、随意运动和节律性运动。反射运动是最简单、最基本的运动，它产生的运动有定型的轨迹;随意运动通常是为了达到某种目的而指向一定目标的运动；节律性运动介于这两类运动之间，如呼吸、咀嚼、行走等，这类运动可以随意开始或者停止，一旦开始，就能自动重复进行而不再需要意识的参与。一般而言，产生节律运动活动的神经环路被称为中枢模式发生器(central patterngenerator， CPG)。

绪论自然界中，各类生物为适应复杂多变的生存环境，进化出令人惊叹的本领与特征。这些优良的生物性能给人类创造与设计提供各种灵感。通过学习、模仿某些生物的特性及功能，可以提高人类对自然的适应和改造能力。因此，近年来，仿生机器人的研究引起了广泛的关注。在仿生控制领域中，基于中枢模式发生器的运动控制方法因其优越性能得到广泛应用，成为仿生控制领域的研究热点。

从生物学角度讲，中枢模式发生器（CentralPattern Generators，CPG）是指一类存在于无脊椎动物和脊椎动物体内中枢神经系统中的神经元电路。它由脊髓和脑干的中间神经元网络组成，通过神经元之间的相互抑制，产生稳定的相位锁定的周期信号，控制躯体相关部位的节律性运动，例如呼吸、行走、飞行等。CPG的研究及发展经历了一个漫长的过程。早在1911年，G。Brown就指出控制猫行走运动的基本神经元回路存在于脊髓中。从20世纪60年代开始，生物学家陆续在生物体内发现神经模式发生网络，找到CPG在脊椎动物和无脊椎动物体内存在的证据。至20世纪80年代，CPG生物模型和数学模型逐渐建立起来，促进了CPG的研究和应用。20世纪90年代，CPG理论日臻完善，应用范围逐渐扩大。进入21世纪，CPG得到空前发展，应用于机器人控制的数量大幅增加。

特征CPG作为一种生物学运动控制机制，在机器人运动控制领域得到广泛应用。与传统机器人的控制方法不同，其主要特征有：

（1）可以在无节律信号输入、无反馈信息及缺少高层控制命令的情况下产生稳定的节律信号。

（2）通过相位滞后及相位锁定，可以产生多种稳定的相位关系，实现机器人多样的运动模态。

（3）易于集成环境反馈信号，形成反馈控制系统。

（4）结构简单，具有很强的鲁棒性和适应能力。CPG的这些特征与机器人运动特点相结合，常被用于机器人节律运动的底层控制器，同时在CPG模型中耦合高层控制中心的控制命令及反馈信息，可以在线产生稳定、协调的节律信号，控制机体的节律运动。2

应用动物节律运动的指令可由CPG独立产生，由神经—肌肉耦联和运动觉反馈系统产生稳定的运动模式，同时，组成CPG的神经网络结构和突触强度的变化受到包括大脑皮层等高级中枢的调控，使动物的节律运动模式具有更好的适应性和可塑性。动物的众多节律运动，据研究发现都是由脊髓中的一种中枢模式发生器（Central Pattern Generator）来实现的。比如呼气，走路，咀嚼等等，这些运动并不需要多少大脑的指令就可以灵活自如的实现。基于CPG的机器人节律运动也成为科学家研究的热点。人们希望像动物的节律运动那样实现仿生机器人的逼真控制，并具有与环境适应的能力。

基于CPG的机器人运动控制是仿生机器人领域的新的研究热点。由于CPG控制方法本身的稳定性、可靠性及无需节律信号输入等特点，越来越多的仿生机器人采用基于CPG的控制方法控制运动。

本词条内容贡献者为:

孔祥杰 - 副教授 - 大连理工大学软件学院