生電混合人造器官的作業系統關鍵技術研究

《生電混合人造器官的作業系統關鍵技術研究》是依託浙江大學，由李紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：生電混合人造器官的作業系統關鍵技術研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：李紅
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

人造器官領域研究的重要挑戰之一是如何在資源受限的器件組織上實現複雜控制和協同功能。近年來柔性電子的快速發展使得生電混合人造器官作業系統成為可能。本項目圍繞生電混合人造器官控制系統需求，研究輕量化作業系統及關鍵技術, 針對人造器官實現定製作業系統，為開發者提供有效的系統平台與工具支持。主要研究內容包括：（1）基於傳統嵌入式作業系統架構進行領域定製， 搭建基於輕量化核心和服務擴展的作業系統平台架構。（2）基於超低功耗處理器進行作業系統的精簡配置和低功耗最佳化。（3）研發人體生物電信號與柔性電路多模態混合信號通信建模，實現輕量級訊息層和數據包組件層最佳化,以及用於人體生物電信號處理的濾波器流水線。

結題摘要

本課題深入分析了當前生電混合人造器官的發展需求，提取人造器官在未來電子人功能替代、感知增強、認知增強、行為增強等方面的特徵要素，評估了作業系統對混合人造器官計算能力、接入能力和協調能力的支持度，提出了輕量化核心和服務擴展的作業系統平台體系結構（簡稱為Cyborgan OS）。Cyborgan OS分為OS核心、OS服務和雲腦等由內向外擴展的三層。核心層是適用於混合人造器官的輕量級作業系統微核心，實現作業系統基礎功能；服務層由諸多可裁剪的服務模組構成，運行在微核心之上，提供特定器官控制服務；雲腦是具有強大計算能力和通信能力的雲端平台，通過手機客戶端與人造器官節點進行通信連線，實現了智慧型分析和算法最佳化，並對外提供統一服務接口。本課題在極微型柔性處理器KL02上完成了Cyborgan OS作業系統實例化，基於模組裁剪和記憶體對齊策略等空間最佳化方法，使作業系統核心ROM空間占用減少了47%，RAM空間占用減少了8%；匹配硬體低功耗模式，通過設定作業系統運行模式和最佳化任務喚醒策略來降低系統整體能耗。本課題構建了人造器官體域網，對人體生物電信號進行獲取和處理，建立了基於SPI、藍牙以及WiFi的多模態混合通信模型。最終通過搭建基於反饋控制的人造胰臟和人造心臟原型系統，驗證了輕量級生電混合人造器官作業系統及其低功耗設計和多模態混合通信模式的可行性。課題研究期間，關鍵技術相關內容發表論文9篇，授權專利2項，新申請專利5項，登記軟體著作權1項。本課題的研究成果預期未來將在醫療健康以及軍事領域具有較好的套用前景。