Ένας παράλυτος άνδρας χρησιμοποίησε το μυαλό του για να ελέγξει δύο ρομποτικούς βραχίονες για να φάει κέικ PlatoBlockchain Data Intelligence. Κάθετη αναζήτηση. Ολα συμπεριλαμβάνονται.

Ένας παράλυτος άνδρας χρησιμοποίησε το μυαλό του για να ελέγξει δύο ρομποτικά χέρια για να φάει κέικ

Χρονική σήμανση: 5 Ιουλίου 2022 5:11 μ.μ.
Ένας παράλυτος άνδρας χρησιμοποίησε το μυαλό του για να ελέγξει δύο ρομποτικούς βραχίονες για να φάει κέικ PlatoBlockchain Data Intelligence. Κάθετη αναζήτηση. Ολα συμπεριλαμβάνονται.

Ο άντρας κάθισε ακίνητος στην καρέκλα, κοιτάζοντας επίμονα ένα κομμάτι κέικ στο τραπέζι μπροστά του. Καλώδια προεξείχαν από εμφυτεύματα ηλεκτροδίων στον εγκέφαλό του. Πλαισιώνουν δύο γιγάντια ρομποτικά χέρια, το καθένα μεγαλύτερο από ολόκληρο το πάνω μέρος του σώματός του. Ο ένας κρατούσε ένα μαχαίρι, ο άλλος ένα πιρούνι.

«Κόψε και φάε φαγητό. Μετακινήστε το δεξί χέρι προς τα εμπρός για να ξεκινήσετε», διέταξε μια ρομποτική φωνή.

Ο άνδρας επικεντρώθηκε στο να μετακινήσει το μερικώς παράλυτο δεξί του χέρι προς τα εμπρός. Ο καρπός του ελάχιστα συσπάστηκε, αλλά το ρομποτικό δεξί χέρι έπλεε ομαλά προς τα εμπρός, τοποθετώντας την άκρη του πιρουνιού κοντά στην τούρτα. Μια άλλη ελαφριά κίνηση του αριστερού του χεριού έστειλε το μαχαίρι προς τα εμπρός.

Αρκετές εντολές αργότερα, ο άνδρας άνοιξε χαρούμενα το στόμα του και καταβρόχθισε τη λιχουδιά σε μέγεθος μπουκιάς, κομμένη κατά την προσωπική του προτίμηση με τη βοήθεια των ρομποτικών του avatar. Είχαν περάσει περίπου 30 χρόνια από τότε που μπορούσε να τραφεί.

Οι περισσότεροι από εμάς δεν σκεφτόμαστε δύο φορές να χρησιμοποιήσουμε τα δύο μας χέρια ταυτόχρονα—τρώγοντας με μαχαίρι και πιρούνι, ανοίγοντας ένα μπουκάλι, αγκαλιάζουμε ένα αγαπημένο μας πρόσωπο, χαλαρώνουμε στον καναπέ χειρίζοντας ένα χειριστήριο βιντεοπαιχνιδιών. Ο συντονισμός έρχεται φυσικά στον εγκέφαλό μας.

Ωστόσο, η ανοικοδόμηση αυτής της αβίαστης κίνησης μεταξύ δύο άκρων έχει εμποδίσει διεπαφή εγκεφάλου-μηχανής (ΔΜΣ) ειδικοί εδώ και χρόνια. Ένα κύριο εμπόδιο είναι το απόλυτο επίπεδο πολυπλοκότητας: σε μια εκτίμηση, η χρήση ρομποτικών άκρων για καθημερινές εργασίες μπορεί να απαιτεί 34 βαθμούς ελευθερίας, προκαλώντας ακόμη και τις πιο εξελιγμένες ρυθμίσεις ΔΜΣ.

Μια νέα μελέτη, με επικεφαλής τον Δρ Francesco V. Tenore στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, βρήκε μια εξαιρετική λύση. Τα ρομπότ έχουν γίνει όλο και πιο αυτόνομα χάρη στη μηχανική μάθηση. Αντί να αντιμετωπίζουμε τα ρομποτικά μέλη ως απλά μηχανήματα, γιατί να μην αξιοποιήσουμε τον εξελιγμένο προγραμματισμό τους, ώστε ο άνθρωπος και το ρομπότ να μπορούν να μοιράζονται τα χειριστήρια;

«Αυτή η προσέγγιση κοινού ελέγχου προορίζεται να αξιοποιήσει τις εγγενείς δυνατότητες της διεπαφής εγκεφάλου-μηχανής και του ρομποτικού συστήματος, δημιουργώντας ένα περιβάλλον «καλύτερου και των δύο κόσμων» όπου ο χρήστης μπορεί να εξατομικεύσει τη συμπεριφορά μιας έξυπνης πρόσθεσης. είπε Δρ Φραντσέσκο Τενόρε.

Όπως ένα αυτοματοποιημένο σύστημα πτήσης, αυτή η συνεργασία επιτρέπει στον άνθρωπο να «πιλοτάρει» το ρομπότ εστιάζοντας μόνο στα πράγματα που έχουν μεγαλύτερη σημασία—σε αυτήν την περίπτωση, πόσο μεγάλη είναι η κοπή κάθε μπουκιά κέικ—ενώ αφήνει πιο εγκόσμιες λειτουργίες στο ημι- αυτόνομο ρομπότ.

Η ελπίδα είναι ότι αυτά τα «νευρορομποτικά συστήματα» - ένας πραγματικός συνδυασμός μυαλού μεταξύ των νευρικών σημάτων του εγκεφάλου και των έξυπνων αλγορίθμων ενός ρομπότ- μπορούν να «βελτιώσουν την ανεξαρτησία και τη λειτουργικότητα του χρήστη», είπε η ομάδα.

Double Trouble

Ο εγκέφαλος στέλνει ηλεκτρικά σήματα στους μύες μας για να ελέγξει την κίνηση και προσαρμόζει αυτές τις οδηγίες με βάση την ανάδραση που λαμβάνει - για παράδειγμα, εκείνες που κωδικοποιούν την πίεση ή τη θέση ενός άκρου στο διάστημα. Τραυματισμοί νωτιαίου μυελού ή άλλες ασθένειες που βλάπτουν αυτόν τον αυτοκινητόδρομο σηματοδότησης διακόπτουν την εντολή του εγκεφάλου στους μύες, οδηγώντας σε παράλυση.

Οι ΔΜΣ ουσιαστικά χτίζουν μια γέφυρα στο τραυματισμένο νευρικό σύστημα, επιτρέποντας τη διέλευση νευρικών εντολών - είτε πρόκειται για χειρουργείο υγιών άκρων είτε για προσαρτημένα προσθετικά. Από την αποκατάσταση του χειρογράφου και της ομιλίας μέχρι την αντίληψη της διέγερσης και τον έλεγχο των ρομποτικών μελών, οι ΔΜΣ έχουν ανοίξει το δρόμο για την αποκατάσταση της ζωής των ανθρώπων.

Ωστόσο, η τεχνολογία μαστίζεται από έναν προβληματικό λόξυγγα: τον διπλό έλεγχο. Μέχρι στιγμής, η επιτυχία στον ΔΜΣ περιορίστηκε σε μεγάλο βαθμό στην κίνηση ενός μόνο άκρου - σώματος ή άλλου. Ωστόσο, στην καθημερινή ζωή, χρειαζόμαστε και τα δύο χέρια για τις πιο απλές εργασίες - μια παραμελημένη υπερδύναμη που οι επιστήμονες αποκαλούν «διχειροκίνητες κινήσεις».

Πίσω το 2013, παρουσίασε ο πρωτοπόρος ΔΜΣ Dr. Miguel Nicolelis στο Πανεπιστήμιο Duke τα πρώτα στοιχεία ότι ο αμφίχειρος έλεγχος με ΔΜΣ δεν είναι αδύνατος. Σε δύο πιθήκους που εμφυτεύτηκαν με μικροσυστοιχίες ηλεκτροδίων, τα νευρικά σήματα από περίπου 500 νευρώνες ήταν αρκετά για να βοηθήσουν τους πιθήκους να ελέγχουν δύο εικονικούς βραχίονες χρησιμοποιώντας μόνο το μυαλό τους για να λύσουν μια εργασία μέσω υπολογιστή για μια (κυριολεκτικά) ζουμερή ανταμοιβή. Ενώ ένα πολλά υποσχόμενο πρώτο βήμα, οι ειδικοί εκείνη την εποχή αναρωτήθηκε εάν η εγκατάσταση θα μπορούσε να λειτουργήσει με πιο σύνθετες ανθρώπινες δραστηριότητες.

Χέρι βοηθείας

Η νέα μελέτη ακολούθησε μια διαφορετική προσέγγιση: συνεργατικό κοινό έλεγχο. Η ιδέα είναι απλή. Εάν η χρήση νευρικών σημάτων για τον έλεγχο και των δύο ρομποτικών βραχιόνων είναι πολύ περίπλοκη για τα εμφυτεύματα εγκεφάλου μόνο, γιατί να μην επιτρέψουμε στην έξυπνη ρομποτική να απογειώσει μέρος του φορτίου επεξεργασίας;

Πρακτικά, τα ρομπότ είναι αρχικά προ-προγραμματισμένα για πολλές απλές κινήσεις, ενώ αφήνουν χώρο στον άνθρωπο να ελέγχει συγκεκριμένα στοιχεία με βάση τις προτιμήσεις του. Είναι σαν μια βόλτα με ρομπότ και άνθρωπο σε συνδυασμό με το ποδήλατο: το μηχάνημα κάνει πεντάλ σε διαφορετικές ταχύτητες με βάση τις αλγοριθμικές του οδηγίες, ενώ ο άνθρωπος ελέγχει τις ράβδους χειρολαβής και τα φρένα.

Για να εγκαταστήσει το σύστημα, η ομάδα εκπαίδευσε πρώτα έναν αλγόριθμο για την αποκωδικοποίηση του μυαλού του εθελοντή. Ο 49χρονος άνδρας υπέφερε από κάκωση νωτιαίου μυελού περίπου 30 χρόνια πριν από την εξέταση. Είχε ακόμα ελάχιστη κίνηση στον ώμο και τον αγκώνα του και μπορούσε να επεκτείνει τους καρπούς του. Ωστόσο, ο εγκέφαλός του είχε χάσει εδώ και καιρό τον έλεγχο των δακτύλων του, στερώντας του κάθε έλεγχο λεπτής κινητικότητας.

Η ομάδα εμφύτευσε αρχικά έξι μικροσυστοιχίες ηλεκτροδίων σε διάφορα μέρη του φλοιού του. Στην αριστερή πλευρά του εγκεφάλου του - η οποία ελέγχει την κυρίαρχη πλευρά του, τη δεξιά πλευρά - εισήγαγαν δύο συστοιχίες στις κινητικές και αισθητήριες περιοχές, αντίστοιχα. Οι αντίστοιχες δεξιές περιοχές του εγκεφάλου - που έλεγχαν το μη κυρίαρχο χέρι του - έλαβαν από μία συστοιχία η καθεμία.

Στη συνέχεια, η ομάδα έδωσε οδηγίες στον άνδρα να εκτελέσει μια σειρά από κινήσεις χεριών στο μέγιστο των δυνατοτήτων του. Κάθε χειρονομία—κάμψη ενός αριστερού ή δεξιού καρπού, άνοιγμα ή τσίμπημα του χεριού— αντιστοιχιζόταν σε μια κατεύθυνση κίνησης. Για παράδειγμα, η κάμψη του δεξιού καρπού του ενώ εκτείνει τον αριστερό του (και αντίστροφα) αντιστοιχούσε σε κίνηση σε οριζόντιες κατευθύνσεις. και τα δύο χέρια ανοίγουν ή τσιμπούν κωδικούς για κάθετη κίνηση.

Όλο αυτό το διάστημα, η ομάδα συνέλεγε νευρικά σήματα που κωδικοποιούσαν κάθε κίνηση του χεριού. Τα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για την εκπαίδευση ενός αλγόριθμου για την αποκωδικοποίηση της προβλεπόμενης χειρονομίας και την τροφοδοσία του εξωτερικού ζεύγους scifi ρομποτικών βραχιόνων, με περίπου 85 τοις εκατό επιτυχία.

Αφήστε τον να φάει κέικ

Οι ρομποτικοί βραχίονες έλαβαν επίσης κάποια προεκπαίδευση. Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις, η ομάδα έδωσε αρχικά στους βραχίονες μια ιδέα για το πού θα βρισκόταν το κέικ στο πιάτο, πού θα ήταν το πιάτο στο τραπέζι και περίπου πόσο μακριά θα ήταν το κέικ από το στόμα του συμμετέχοντος. Επίσης, ρύθμισαν με ακρίβεια την ταχύτητα και το εύρος κίνησης των ρομποτικών χεριών - σε τελική ανάλυση, κανείς δεν θέλει να δει έναν γιγάντιο ρομποτικό βραχίονα να πιάνει με ένα μυτερό πιρούνι να πετάει στο πρόσωπό σας με ένα κρεμασμένο, μπερδεμένο κομμάτι κέικ.

Σε αυτή τη ρύθμιση, ο συμμετέχων μπορούσε να ελέγξει εν μέρει τη θέση και τον προσανατολισμό των χεριών, με έως και δύο βαθμούς ελευθερίας σε κάθε πλευρά — για παράδειγμα, επιτρέποντάς του να κινήσει οποιοδήποτε χέρι αριστερά-δεξιά, εμπρός-πίσω ή κυλήσει αριστερά-δεξιά . Εν τω μεταξύ, το ρομπότ φρόντισε για την υπόλοιπη πολυπλοκότητα της κίνησης.

Για να βοηθήσει περαιτέρω τη συνεργασία, μια φωνή ρομπότ φώναζε κάθε βήμα για να βοηθήσει την ομάδα να κόψει ένα κομμάτι κέικ και να το φέρει στο στόμα του συμμετέχοντος.

Ο άντρας είχε την πρώτη κίνηση. Συγκεντρώνοντας την κίνηση του δεξιού του καρπού, τοποθέτησε το δεξί ρομποτικό χέρι προς την τούρτα. Στη συνέχεια ανέλαβε το ρομπότ, μετακινώντας αυτόματα την άκρη του πιρουνιού στο κέικ. Ο άνδρας θα μπορούσε στη συνέχεια να αποφασίσει την ακριβή θέση του πιρουνιού χρησιμοποιώντας προ-εκπαιδευμένους νευρικούς ελέγχους.

Μόλις ρυθμιστεί, το ρομπότ μετακινούσε αυτόματα το χέρι που κρατούσε το μαχαίρι προς τα αριστερά του πιρουνιού. Ο άνδρας έκανε και πάλι προσαρμογές για να κόψει το κέικ στο επιθυμητό μέγεθος, πριν το ρομπότ κόψει αυτόματα το κέικ και το φέρει στο στόμα του.

«Η κατανάλωση της ζύμης ήταν προαιρετική, αλλά ο συμμετέχων επέλεξε να το κάνει δεδομένου ότι ήταν νόστιμο», είπαν οι συγγραφείς.

Η μελέτη είχε 37 δοκιμές, με την πλειοψηφία να ήταν βαθμονόμηση. Συνολικά, ο άνδρας χρησιμοποίησε το μυαλό του για να φάει επτά μπουκιές κέικ, όλα «λογικού μεγέθους» και χωρίς να πέσει καμία.

Σίγουρα δεν είναι ένα σύστημα που θα έρθει στο σπίτι σας σύντομα. Βασισμένο σε ένα γιγάντιο ζευγάρι ρομποτικών βραχιόνων που αναπτύχθηκε από την DARPA, η εγκατάσταση απαιτεί εκτεταμένες προ-προγραμματισμένες γνώσεις για το ρομπότ, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να επιτρέψει μόνο μία εργασία ανά πάσα στιγμή. Προς το παρόν, η μελέτη είναι περισσότερο μια διερευνητική απόδειξη της ιδέας για το πώς να συνδυάσετε τα νευρικά σήματα με την αυτονομία του ρομπότ για την περαιτέρω επέκταση των δυνατοτήτων του ΔΜΣ.

Αλλά όπως προσθετική γίνεστε όλο και πιο έξυπνοι και πιο προσιτές, η ομάδα κοιτάζει μπροστά.

«Ο απώτερος στόχος είναι η ρυθμιζόμενη αυτονομία που αξιοποιεί οποιαδήποτε σήματα ΔΜΣ είναι διαθέσιμα

τη μέγιστη αποτελεσματικότητά τους, επιτρέποντας στον άνθρωπο να ελέγχει τους λίγους DOF [βαθμούς ελευθερίας] που επηρεάζουν πιο άμεσα την ποιοτική απόδοση μιας εργασίας, ενώ το ρομπότ φροντίζει για τα υπόλοιπα», είπε η ομάδα. Οι μελλοντικές μελέτες θα διερευνήσουν - και θα ωθήσουν - τα όρια αυτών των εννοιών ανθρώπου-ρομπότ.

Image Credit: Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής Johns Hopkins

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κέντρο μοναδικότητας