CN109548690A - 一种小白鼠群体逃生行为演化研究多功能实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小白鼠群体逃生行为演化研究多功能实验装置，包括实验系统以及控制系统。该装置实验功能多样，可以引入多种类型和强度的有害刺激，可以考察障碍物位置和长度、逃生出口的宽度选择对实验过程的影响，还可以研究小白鼠群体逃生过程中身体叠压现象。利用控制系统以及系统中的图像处理分析模块，实验过程高度自动化，节省了人力成本，并且降低了人为因素对实验结果的影响。

Description

一种小白鼠群体逃生行为演化研究多功能实验装置

技术领域

本发明涉及一种仿生实验装置，更特别地涉及一种小白鼠群体逃生行为演化研究多功能实验装置。

背景技术

随着近年来大型高层建筑和高密度人群活动的增多，火灾、地震、恐怖袭击等各种突发事件发生后的大规模人群紧急疏散得到了越来越多的关注。关于恐慌状态下的人群室内逃生问题，人们提出了几种计算机仿真模型，并且通过模型预测出了出口处人员的拥堵和欲速则不达等现象。但是，在真实的人群紧急疏散中是否存在这些现象还缺乏定量的证据，从而使得仿真模型的验证成为一个瓶颈。由于伦理和法律方面的原因，灾害发生后的人群紧急疏散真人实验是难以进行的，所以进行动物恐慌逃生实验就成为了研究者们的一个不错的选择。

目前关于人群紧急疏散模型的动物学实验验证方面，国内外的研究者主要考虑对蚂蚁群体做逃生实验，而对小白鼠等高等哺乳动物的群体逃生实验没有进行充分的研究。并且已有的专门针对小白鼠群体的逃生实验装置很少，而且实验功能太过单一，往往只能提供一种有害刺激。并且，现有的群体逃生实验装置在做实验时都只考虑运动的二维性，即不考虑逃生过程中小白鼠身体的叠压，而且与实验装置配套的光学摄像机不具有自动统计、分析数据的功能，数据和统计和分析工作需要实验人员对动物逃生过程的视频图像进行人工逐帧回放，费时费力，并且实验结果容易受到人为因素的影响。

当前的研究斗主要关注小白鼠群体的耐药性，对哺乳动物群体的紧急逃生行为关注极少，现有的逃生行为研究实验装置的刺激源较为单一，局限在噪声或者水温等。

公开号为CN202750560U的专利(一种水温恒温控制的水迷宫装置)提出了一种实验装置，但其刺激源仅限于水，逃生场景单一，实验功能单一。

发明内容

本发明针对上述问题，本发明提出一种小白鼠群体逃生行为演化研究多功能实验装置。

而本专利实验装置的刺激源包括水、光线、噪声、化学烟雾等，逃生场景设计更加多样，实验功能丰富。

根据本发明的一种小白鼠群体逃生行为演化研究多功能实验装置，其特征在于：包括实验系统和控制系统；

实验系统包括圆柱形外腔、长方体暗室、以及橡胶底座。其中橡胶底座设置在圆柱形外腔的底部中心位置，长方体暗室的底板固定在橡胶底座上；

控制系统包括单片机、群体逃生实验软件、视频卡、接口控制卡、图像处理模块、数据统计分析模块和显示设备；

其中，圆柱形外腔的侧壁上设置有进水口和出水口6，分别用于向圆柱形外腔内注水及排水，所述进水口和所述出水口分别外接有水管，进水口外接水管带有进水口阀门，出水口外接水管带有出水口阀门，进水口、出水口阀门的开闭分别通过所述控制系统中单片机的无线遥控指令进行控制；

所述长方体暗箱包括长方体暗室箱体和蜂鸣器装置、强光灯装置、橡胶软管装置、红外摄像装置；

所述橡胶底座为带有斜坡的橡胶块。

优选地，长方体暗室箱体包括底板、侧面墙体和顶盖；长方体暗室箱体的底板和侧面墙体连成一体，长方体暗室箱体的底板固定在所述橡胶底座上，所述顶盖与侧面墙体可分离地连接，且顶盖的四周与长方体暗室四面墙体的顶沿之间设有柔性材料制成的垫片。

优选地，所述蜂鸣器装置设置在长方体暗室箱体的内壁上，该蜂鸣器装置内部集成了一个带变阻器的蜂鸣器电路，蜂鸣器电路可以驱动蜂鸣器产生不同强度的噪音刺激；

所述强光灯装置设置在长方体暗室箱体的顶盖内壁上接近四个角的位置，该强光灯装置包括4个强光灯和公共的强光灯驱动电路，4个强光灯的亮度均可调整；

所述橡胶软管装置包括橡胶软管、化学烟雾产生装置以及化学烟雾通路阀门，所述橡胶软管一端伸入长方体暗室，软管的另一端连接化学烟雾产生装置；

所述红外摄像装置设置在长方体暗室箱体顶盖内壁上的中心位置。

优选地，所述的长方体暗室箱体的侧面墙体中，其中一面墙体的底部中心位置设置一个长方形出口，所述长方形出口设有双开自动门和门控设备，门控设备接收控制系统中单片机通过接口控制卡发送的指令，进而控制双开自动门的打开程度；

长方体暗室箱体的底板上距出口一定距离处设置有供金属片障碍物插入的卡槽；

所述的长方体暗室箱体的底板上靠近出口并且处于出口两侧对称的位置上，各放置一块楔形木块，所述楔形木块固定在长方体暗室箱体的底板上，并且紧贴长方体暗室箱体的侧面墙体放置；

长方体暗室箱体带有出口的那一面墙体的底端与橡胶底座的斜坡相接，便于小白鼠进出所述长方体暗室箱体。

优选地，所述顶盖由不透光材料制成，顶盖上设置有气孔以及供橡胶软管装置的软管接入的圆孔。

优选地，卡槽设置数量为三个，分别距离距出口的距离为出口宽度的1倍、2倍、3倍。

本发明的目的是提供一种用于观察小白鼠群体在不同类型和强度的有害刺激诱导下的逃生行为的实验装置。本发明能够利用出口宽度和金属片障碍物位置、长度的选择提供多种逃生场景，能够考察小白鼠群体逃生过程中运动的三维性，从而克服现有群体逃生实验装置有害刺激类型单一和实验功能单一的缺点。能够提供适宜小白鼠的黑暗封闭环境，降低外界环境对实验结果的干扰。结合配套的计算机系统，本发明能够实现小白鼠群体逃生过程运动轨迹的自动绘制和实验数据的自动提取、统计分析，克服现有实验装置自动化程度不高、实验结果易受人为因素影响等缺点。

附图说明

图1是根据本发明的实验系统的结构示意图。

图2是根据本发明的未盖顶盖的长方体暗室的俯视图。

图3是根据本发明的控制系统及相关电路的架构。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

根据本发明的一种小白鼠群体逃生行为演化研究多功能实验装置，包括实验系统和控制系统。

如图1、2所示，该实验系统包括圆柱形外腔1、长方体暗室2、以及橡胶底座3。其中橡胶底座3设置在圆柱形外腔1的底部中心位置，长方体暗室2的底板固定在橡胶底座3上。

如图3所示，控制系统包括单片机、群体逃生实验软件、视频卡、接口控制卡、图像处理模块、数据统计分析模块和显示设备。其中单片机发送无线遥控指令到实验系统中各需要远程控制的部件。

圆柱形外腔采用表面光滑的防水材料制作，其侧壁的高度超过小白鼠平均身高的20倍。圆柱形外腔的侧壁上设置有进水口5和一个出水口6，分别用于向圆柱形外腔内注水及排水。进水口离圆柱形外腔其底面的距离超过小白鼠平均身高的15-20倍，优选地为15倍。出水口的口径小于小白鼠平均体宽的1/3-1，优选地为1/3。进水口和出水口分别外接有水管，进水口外接水管带有进水口阀门，出水口外接水管带有出水口阀门(图中未示出)。进水口、出水口阀门的开闭分别受到进水口、出水口阀门驱动电路的控制，而进水口、出水口阀门驱动电路接收控制系统中单片机的无线遥控指令进行控制。

在圆柱形外腔的内侧壁上与长方体暗室的出口下沿等高度处设置液位传感器7。特别地，进水口的阀门受到液位传感器的控制。当液位传感器感应到水位信息时，向控制系统的单片机发出信号，单片机通过接口控制卡向进水口阀门驱动电路发出遥控指令驱动相应的机械装置关闭进水口的阀门。

橡胶底座3为带有斜坡的橡胶块，该斜坡与长方体暗箱的出口一侧同侧。该斜坡的倾角小于45度。

长方体暗箱2包括长方体暗室箱体和蜂鸣器装置、强光灯装置、橡胶软管装置、红外摄像装置。

该长方体暗室箱体包括底板、侧面墙体和顶盖。长方体暗室箱体的底板和侧面墙体连成一体，该底板和侧面墙体采用表面光滑的不透光防水材料制作，由此使得长方体暗室具有良好的密闭性和隔音效果。长方体暗室箱体的底板固定在橡胶底座上。

优选地，为了便于生产、组装和清洁，底板和墙体也可以是非一体类型，两者设置为可分离地连接。

所述的长方体暗室箱体的侧面墙体，其高度超过小白鼠平均身高的15倍。其中一面墙体的底部中心位置设置一个长方形出口4，出口4的高度设置为小白鼠平均身高的1.5倍，宽度设置为小白鼠平均体宽的3.5倍。长方形出口设有双开自动门和门控设备，门控设备接收控制系统中单片机通过接口控制卡发送的指令，进而控制双开自动门的打开程度。双开自动门的打开距离分为5档，分别对应小白鼠平均体宽的0倍(即闭合)、1.3倍、1.8倍、2.5倍、3.5倍(即全开)。

长方体暗室箱体带有出口的那一面墙体的底端与橡胶底座的斜坡相接，这是为了便于小白鼠从圆柱形外腔内通过所述长方形出口进入长方体暗室，同时也为了便于小白鼠群体受到有害刺激后从长方体暗室中逃出。

在所述的长方体暗室箱体的底板上距出口1倍、2倍、3倍出口宽度的地方分别设置一条卡槽8，每条卡槽的长度均超过5倍出口宽度。金属片障碍物根据需要插入到3条卡槽之一中，从而通过对比试验研究不同位置和不同长度的金属片障碍物对小白鼠群体逃生过程的影响。

在所述的长方体暗室箱体的底板上靠近出口并且处于出口两侧对称的位置上，分别放置了两块楔形木块9，10，楔形木块固定在长方体暗室箱体的底板上，并且紧贴长方体暗室箱体的侧面墙体放置。楔形木块表面光滑，其高度超过小白鼠平均身高的10倍，其俯视图是直角三角形，其中靠近出口的锐角在15度到35度之间。放置楔形木块的目的是当有害刺激发生后，诱导小白鼠群体向出口处逃离并且在出口前形成一个八字形区域。

所述的长方体暗室箱体的顶盖采用不透光的材料制作，顶盖的四周与长方体暗室四面墙体的顶沿之间设有柔性材料制成的垫片，垫片可增加密闭性和隔音效果，从而降低外界环境变化对实验过程的影响。

顶盖为中空的两层结构，顶盖的外层上靠近出口方向的一侧留有一些方形气孔，内层上远离出口方向的一侧留有一些方形气孔。气孔的这种设计，是为了保证盖上顶盖后的长方体暗室透气但不透光。这为小白鼠群体提供了承受有害刺激之前的适宜环境，并且保证了实验可以在实验室正常的光照条件下进行，同时降低了外界环境对实验结果的干扰。顶盖远离出口方向的一侧留有一个圆孔。

长方体暗室箱体的顶盖与侧面墙体是可以分离的，进行实验时将长方体暗室箱体的顶盖盖在长方体暗室箱体的侧面墙体上方。可分离的顶盖便于在每次实验之前根据需要在长方体暗室箱体底板的不同卡槽上插入不同长度金属片障碍物，同时也便于在实验结束之后清理实验过程中小白鼠遗留在长方体暗室内的粪便排泄物。

蜂鸣器装置设置在长方体暗室箱体与出口相对的一面墙体的内壁上，其内部集成了一个带变阻器的蜂鸣器电路。通过接收控制系统中单片机对变阻器的无线遥控指令，蜂鸣器电路可以驱动蜂鸣器产生不同强度的噪音刺激。

强光灯装置设置在长方体暗室箱体的顶盖内壁上接近四个角的位置，该强光灯装置包括4个强光灯和公共的强光灯驱动电路，用于对小白鼠群体提供强光刺激。四个强光灯的亮度均可调整，这些强光灯点亮时光照强度相同，受到强光灯驱动电路的控制，而强光灯驱动电路接收控制系统中单片机通过接口控制卡发送的控制指令，从而实现强光灯的关闭、点亮以及亮度控制。

橡胶软管装置采用不透光材料制作，通过顶盖上远离出口方向一侧的圆孔伸入长方体暗室，橡胶软管的另一端连接化学烟雾产生装置。橡胶软管上设置有化学烟雾通路阀门，化学烟雾通路阀门的打开程度受到化学烟雾通路阀门驱动电路的控制，而化学烟雾通路阀门驱动电路接收控制器中单片机的控制指令。

红外摄像装置设置在长方体暗室箱体顶盖内壁上的中心位置，用于对长方体暗室中的小白鼠群体行为进行摄像并通过视频卡将图像实时传输到单片机。单片机通过图像处理模块和数据统计分析模块对视频图像进行处理，并将实验结果传送到显示设备上。其中图像处理模块包括2D转3D模块以及3D图像处理模块。2D转3D模块用于图像空间维度扩充，3D图像处理模块用于辨识小白鼠个体的三维空间位置。经过两次的处理之后，图像内容更加丰富和直观。

下面结合实验装置的结构，说明使用该装置进行实验的方法，该方法包括如下步骤：

1.实验环境温度维持在18到22摄氏度，光照条件保持在正常的光照条件。

2.根据本次实验的实验目的，实验操作人员选择是否在卡槽中插入金属片阻碍物以及在哪一条卡槽中插入哪一种长度的金属片阻碍物。金属片阻碍物插入之后，实验操作人员盖上长方体暗室的顶盖。

3.实验操作人员通过群体逃生实验软件设置本次实验的刺激类型和强度并且设定群体逃生时的出口宽度，比如选择强光刺激、强光灯亮度设置为2级、出口宽度设置为2.5倍小白鼠平均体宽。

4.单片机系统根据软件指令，通过接口控制卡向门控设备发出遥控指令，从而把长方体暗室的出口宽度调整为2.5倍小白鼠平均体宽。

5.实验操作人员将80只小白鼠放入圆柱形外腔内，然后离开实验主体装置。

6.单片机系统通过接口控制卡向进水口阀门驱动电路发送开启信号，进水口阀门开启；当单片机系统接收到液位传感器发送的水位到达信号时，立即向进水口阀门驱动电路发送关闭信号，进水口阀门关闭。

7.红外摄像装置将长方体暗室内的图像实时传送给单片机系统，并且经过图像处理模块和数据分析模块，长方体暗室内的小白鼠的数目实时显示在计算机屏幕上。当长方体暗室内的小白鼠数目达到实验要求时，得到提示信息的实验操作人员可以通过群体逃生实验软件向单片机系统写入关闭出口命令，单片机系统向门控设备发出控制指令从而关闭出口。

8.出口关闭之后，单片机系统自动向出水口阀门驱动电路发送开启信号，出水口阀门开启。

9.出口关闭十分钟之后，单片机系统按照实验操作人员在第3步的设定对长方体暗室内的小白鼠群体自动开启有害刺激。在本例中，即，单片机按照群体逃生实验软件中的指令自动向强光灯驱动电路和门控设备驱动电路发出控制命令。带来的结果是此时四盏强光灯被点亮且亮度开启为2级，同时出口被门控设备打开且宽度被设置为2.5倍小白鼠平均体宽。

10.自从有害刺激产生和出口被打开，小白鼠群体恐慌逃生过程开始。位于顶盖中心的红外摄像装置将视频传输给单片机系统，单片机系统调用图像处理模块和数据统计分析模块对视频进行分析处理，并将得到的实验数据和分析结果通过显示设备显示出来。实验数据和分析结果包括，每只小白鼠的三维运动轨迹，每只小白鼠逃出出口的时间及其统计学分布，整个长方体暗室内小白鼠身体叠压现象发生的次数，小白鼠身体叠压现象发生时的时间分布和区域分布，出口附近区域内小白鼠身体叠压现象发生的比例，等等。

11.每组实验重复进行多次。

根据本发明的实验装置，逃生场景不是唯一性的，刺激源的产生也可以有其它的设计方法。需要根据具体研究需求来设计动物逃生场景和刺激源种类。比如，可以在圆柱形外腔1中设置放电装置配合放水场景下的实验，该放电装置为脉冲放电，且放电强度根据小白鼠的数量已经行为方式进行放电。优选地，金属片障碍物也可以接脉冲放电装置，以间隔的方式放电，由此观测小白鼠在此场景模式下的逃生方式。

根据本发明的实验装置，实验功能多样，可以引入多种类型和强度的有害刺激，可以考察障碍物位置和长度、逃生出口的宽度选择对实验过程的影响，还可以研究小白鼠群体逃生过程中身体叠压现象，即运动的三维性问题。利用配套的计算机系统和图像处理分析模块，实验过程高度自动化，节省了人力成本，并且降低了人为因素对实验结果的影响。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种小白鼠群体逃生行为演化研究多功能实验装置，其特征在于：包括实验系统和控制系统；

实验系统包括圆柱形外腔、长方体暗室、以及橡胶底座。其中橡胶底座设置在圆柱形外腔的底部中心位置，长方体暗室的底板固定在橡胶底座上；

控制系统包括单片机、群体逃生实验软件、视频卡、接口控制卡、图像处理模块、数据统计分析模块和显示设备；

其中，圆柱形外腔的侧壁上设置有进水口和出水口，分别用于向圆柱形外腔内注水及排水，所述进水口和所述出水口分别外接有水管，进水口外接水管带有进水口阀门，出水口外接水管带有出水口阀门，进水口、出水口阀门的开闭分别通过所述控制系统中单片机的无线遥控指令进行控制；

所述长方体暗箱包括长方体暗室箱体和蜂鸣器装置、强光灯装置、橡胶软管装置、红外摄像装置；

所述橡胶底座为带有斜坡的橡胶块。

2.根据权利要求1的实验装置，其特征在于：长方体暗室箱体包括底板、侧面墙体和顶盖；长方体暗室箱体的底板和侧面墙体连成一体，长方体暗室箱体的底板固定在所述橡胶底座上，所述顶盖与侧面墙体可分离地连接，且顶盖的四周与长方体暗室四面墙体的顶沿之间设有柔性材料制成的垫片。

3.根据权利要求2的实验装置，其特征在于：所述蜂鸣器装置设置在长方体暗室箱体的内壁上，该蜂鸣器装置内部集成了一个带变阻器的蜂鸣器电路，蜂鸣器电路可以驱动蜂鸣器产生不同强度的噪音刺激；

所述强光灯装置设置在长方体暗室箱体的顶盖内壁上接近四个角的位置，该强光灯装置包括4个强光灯和公共的强光灯驱动电路，4个强光灯的亮度均可调整；

所述橡胶软管装置包括橡胶软管、化学烟雾产生装置以及化学烟雾通路阀门，所述橡胶软管一端伸入长方体暗室，软管的另一端连接化学烟雾产生装置；

所述红外摄像装置设置在长方体暗室箱体顶盖内壁上的中心位置。

4.根据权利要求2的实验装置，其特征在于：所述的长方体暗室箱体的侧面墙体中，其中一面墙体的底部中心位置设置一个长方形出口，所述长方形出口设有双开自动门和门控设备，门控设备接收控制系统中单片机通过接口控制卡发送的指令，进而控制双开自动门的打开程度；

长方体暗室箱体的底板上距出口一定距离处设置有供金属片障碍物插入的卡槽；

所述的长方体暗室箱体的底板上靠近出口并且处于出口两侧对称的位置上，各放置一块楔形木块，所述楔形木块固定在长方体暗室箱体的底板上，并且紧贴长方体暗室箱体的侧面墙体放置；

长方体暗室箱体带有出口的那一面墙体的底端与橡胶底座的斜坡相接，便于小白鼠进出所述长方体暗室箱体。

5.根据权利要求2的实验装置，其特征在于：所述顶盖由不透光材料制成，顶盖上设置有气孔以及供橡胶软管装置的软管接入的圆孔。

6.根据权利要求4的实验装置，其特征在于：卡槽设置数量为三个，分别距离距出口的距离为出口宽度的1倍、2倍、3倍。