Halvatud mees kasutas koogi söömiseks oma mõistust kahe robotkäe juhtimiseks

Mees istus paigal toolil ja vaatas pingsalt enda ees laual olevat koogitükki. Tema aju elektroodiimplantaatidest ulatusid juhtmed välja. Tema kõrval olid kaks hiiglaslikku robotkätt, kumbki suurem kui kogu tema ülakeha. Üks hoidis nuga, teine ​​kahvlit.

“Lõika ja söö toitu. Alustamiseks liigutage paremat kätt ette,” käskis robothääl.

Mees keskendus oma osaliselt halvatud parema käe ettepoole liigutamisele. Tema ranne vaevu tõmbles, kuid robotist parem käsi purjetas sujuvalt edasi, asetades kahvli otsa koogi lähedale. Veel üks kerge vasaku käe liigutus saatis noa edasi.

Mitu käsku hiljem avas mees rõõmsalt suu ja sõi oma robotavatarite abiga isikliku eelistuse järgi hammustava maiuse alla. Sellest oli möödunud umbes 30 aastat, kui ta suutis end ära toita.

Enamik meist ei mõtle oma kahe käe samaaegsele kasutamisele – noa ja kahvliga söömisele, pudeli avamisele, kallima kallistamisele, diivanil lebamisele, videomängukontrolleri juhtimisele. Koordineerimine tuleb meie ajus loomulikult.

Kuid selle kahe jäseme vahelise pingutuseta liikumise rekonstrueerimine on takistatud aju-masina liides (BMI) eksperdid aastaid. Peamine takistus on keerukuse tase: ühe hinnangu kohaselt võib robotjäsemete kasutamine igapäevaelus vajada 34 vabadusastet, mis seab väljakutse isegi kõige keerukamatele BMI seadistustele.

Uues uurimuses, mida juhtis dr Francesco V. Tenore Johns Hopkinsi ülikoolist, leidis suurepärase lahenduse. Tänu masinõppele on robotid muutunud üha autonoomsemaks. Selle asemel, et käsitleda roboti jäsemeid kui lihtsalt masinaid, miks mitte kasutada nende keerulist programmeerimist, et inimene ja robot saaksid juhtnuppe jagada?

"See jagatud juhtimise lähenemisviis on mõeldud aju-masina liidese ja robotsüsteemi sisemiste võimaluste võimendamiseks, luues mõlemast maailmast parima keskkonna, kus kasutaja saab nutika proteesi käitumist isikupärastada." ütles Dr Francesco Tenore.

Sarnaselt automatiseeritud lennusüsteemiga võimaldab see koostöö inimesel robotit "pilootida", keskendudes ainult kõige olulisematele asjadele – antud juhul sellele, kui suureks iga suutäis koogi lõigata –, jättes argisemad toimingud pooleldi. autonoomne robot.

Loodetakse, et need "neurorobootilised süsteemid" - tõeline mõistuse suland aju närvisignaalide ja roboti nutikate algoritmide vahel - võivad "parandada kasutajate sõltumatust ja funktsionaalsust", ütles meeskond.

Double Trouble

Aju saadab meie lihastele elektrilisi signaale, et juhtida liikumist, ja kohandab neid juhiseid saadud tagasiside põhjal – näiteks need, mis kodeerivad survet või jäseme asendit ruumis. Seljaaju vigastused või muud haigused, mis kahjustavad seda signaali kiirteed, katkestavad aju juhtimise lihaste üle, põhjustades halvatust.

KMI-d ehitavad sisuliselt silla üle vigastatud närvisüsteemi, võimaldades närvikäsklustel läbi voolata – olgu selleks tervete jäsemete opereerimine või kinnitatud proteesid. Alates käekirja ja kõne taastamisest kuni stimulatsiooni tajumiseni ja robotjäsemete kontrollimiseni on KMI-d sillutanud teed inimeste elude taastamisele.

Kuid tehnoloogiat on vaevanud murettekitav luksumine: topeltjuhtimine. Seni on BMI-de edu piirdunud suures osas ühe jäseme liigutamisega - keha või muul viisil. Kuid igapäevaelus vajame kõige lihtsamate ülesannete jaoks mõlemat kätt – tähelepanuta jäetud superjõudu, mida teadlased nimetavad "kahekäsiliigutusteks".

2013. aastal esines KMI pioneer dr Miguel Nicolelis Duke'i ülikoolist esimesed tõendid et bimanuaalne juhtimine BMI-ga pole võimatu. Kahel ahvil, kellele implanteeriti elektroodide mikrokiibid, piisas ligikaudu 500 neuroni neuraalsetest signaalidest, et aidata ahvidel juhtida kahte virtuaalset kätt, kasutades arvutipõhist ülesannet (sõna otseses mõttes) mahlase tasu eest. Kuigi paljutõotav esimene samm, eksperdid ajal imestas kas seadistus võiks töötada keerulisemate inimtegevustega.

Abikäsi

Uues uuringus kasutati teistsugust lähenemist: koostööl põhinev jagatud kontroll. Idee on lihtne. Kui närvisignaalide kasutamine mõlema robotkäe juhtimiseks on ainuüksi ajuimplantaatide jaoks liiga keeruline, siis miks mitte lubada nutikatel robootikatel osa töötlemiskoormusest maha võtta?

Praktilises plaanis on robotid esmalt eelprogrammeeritud mitmeks lihtsaks liigutuseks, jättes samal ajal ruumi inimesele oma eelistustest lähtuvalt iseärasusi juhtida. See on nagu roboti ja inimese tandemrattasõit: masin pedaalib algoritmiliste juhiste alusel erineva kiirusega, samal ajal kui mees juhib käepidemeid ja pidureid.

Süsteemi seadistamiseks õpetas meeskond esmalt välja algoritmi, mille abil dekodeerida vabatahtliku mõistust. 49-aastane mees sai umbes 30 aastat enne testimist seljaajuvigastuse. Ta liigutas endiselt minimaalselt õla ja küünarnuki ning suutis oma randmeid välja sirutada. Tema aju oli aga juba ammu kaotanud kontrolli oma sõrmede üle, röövides talt igasuguse peenmotoorika kontrolli.

Meeskond implanteeris kõigepealt kuus elektroodi mikrokiibi tema ajukoore erinevatesse osadesse. Tema aju vasakul küljel, mis kontrollib tema domineerivat poolt, paremat poolt, sisestasid nad vastavalt kaks massiivi motoorsesse ja sensoorsesse piirkonda. Vastavad parempoolsed ajupiirkonnad, mis kontrollisid tema mittedomineerivat kätt, said igaüks ühe massiivi.

Järgmisena andis meeskond mehele korralduse teha oma võimete piires mitmeid käteliigutusi. Iga žest – vasaku või parema randme painutamine, käe avamine või pigistamine – kaardistati liikumissuunaga. Näiteks vasaku sirutamise ajal parema randme painutamine (ja vastupidi) vastas horisontaalsuunas liikumisele; mõlemad käed avanevad või pigistavad vertikaalse liikumise koodid.

Kogu selle aja jooksul kogus meeskond närvisignaale, mis kodeerisid iga käeliigutust. Andmeid kasutati algoritmi väljaõpetamiseks, mis dekodeeriks kavandatud žesti ja toiteks välise ulmelise robotkäte paari, ligikaudu 85-protsendilise eduga.

Las ta sööb kooki

Ka robotkäed said veidi eeltreeningut. Simulatsioonide abil andis meeskond esmalt käsivartele aimu, kus kook taldrikul asub, kus taldrik lauale asetatakse ning ligikaudu kui kaugel on kook osaleja suust. Samuti täpsustasid nad robotkäte kiirust ja liikumisulatust – lõppude lõpuks ei taha keegi näha terava kahvliga haaravat hiiglaslikku robotkätt, mis lendab sulle rippuva ja rippuva koogitükiga näkku.

Selles seadistuses sai osaleja osaliselt kontrollida käte asendit ja orientatsiooni, mõlemal küljel kuni kaks vabadusastet – näiteks võimaldades tal liigutada mis tahes kätt vasakule-paremale, ette-tagasi või vasakule-paremale veereda. . Vahepeal hoolitses robot ülejäänud liikumise keerukuse eest.

Koostöö edasiseks abistamiseks hüüdis robothääl igal sammul, et aidata meeskonnal koogitükk lõigata ja see osalejale suhu tuua.

Mehel oli esimene käik. Keskendudes oma parema randme liigutusele, asetas ta parema robotkäe koogi poole. Seejärel võttis töö üle robot, liigutades kahvli otsa automaatselt koogile. Seejärel sai mees eelnevalt treenitud närvijuhtimisseadmete abil otsustada kahvli täpse asukoha.

Pärast seadistamist liigutas robot noaga veotavat kätt automaatselt kahvli vasakule poole. Mees tegi uuesti kohendusi, et kook soovitud suurusele lõigata, enne kui robot lõikas tordi automaatselt ja tõi selle talle suhu.

"Kondiitritoodete tarbimine oli vabatahtlik, kuid osaleja otsustas seda teha, kuna see oli maitsev," ütlesid autorid.

Uuringus oli 37 katset, millest enamik oli kalibreerimine. Üldiselt kasutas mees oma mõistust, et süüa seitse ampsu kooke, mis kõik olid "mõistliku suurusega" ja ilma ühtegi maha kukkumata.

Kindlasti pole see süsteem, mis niipea teie koju jõuab. DARPA väljatöötatud robotkäte hiiglaslikul paaril põhinev seadistus nõuab roboti jaoks ulatuslikke eelprogrammeeritud teadmisi, mis tähendab, et see suudab igal ajahetkel lubada ainult ühte ülesannet. Praegu on uuring pigem uurimuslik tõestus kontseptsioonist, kuidas ühendada närvisignaalid roboti autonoomiaga, et veelgi laiendada KMI võimeid.

Aga proteesimine muutudes järjest targemaks ja soodsamaks, vaatab meeskond tulevikku.

"Lõpmine eesmärk on reguleeritav autonoomia, mis kasutab kõiki saadaolevaid BMI signaale

nende maksimaalne tõhusus, võimaldades inimesel juhtida neid väheseid DOF-e [vabadusastmeid], mis kõige otsesemalt mõjutavad ülesande kvalitatiivset täitmist, samal ajal kui robot hoolitseb ülejäänu eest, ”ütles meeskond. Tulevased uuringud uurivad ja nihutavad nende inim-roboti mõtteviiside piire.

Image Credit: Johns Hopkinsi rakendusfüüsika labor

• Münditark. Euroopa parim Bitcoini ja krüptobörs.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. TASUTA PÄÄS.
• CryptoHawk. Altcoini radar. Tasuta prooviversioon.
• Allikas: https://singularityhub.com/2022/07/05/a-paralyzed-man-used-his-mind-to-control-two-robotic-arms-to-eat-cake/