مردی فلج از ذهن خود برای کنترل دو بازوی رباتیک برای خوردن کیک استفاده کرد

مرد همچنان روی صندلی نشسته بود و با دقت به تکه ای کیک روی میز روبرویش خیره شده بود. سیم ها از کاشت الکترود در مغز او بیرون زده بودند. در کنار او دو بازوی رباتیک غول‌پیکر قرار داشت که هر کدام بزرگ‌تر از کل قسمت بالایی بدن او بود. یکی چاقو در دست داشت و دیگری چنگال.

«غذا را ببرید و بخورید. برای شروع دست راست را به جلو حرکت دهید.» صدای روباتیکی دستور داد.

مرد روی جلو بردن بازوی راستش که نیمه فلج شده بود تمرکز کرد. مچ دست او به سختی تکان خورد، اما دست راست روباتیک به آرامی به جلو حرکت کرد و نوک چنگال را نزدیک کیک قرار داد. حرکت جزئی دیگر دست چپ او، چاقو را به جلو فرستاد.

چند دستور بعد، مرد با خوشحالی دهانش را باز کرد و با کمک آواتارهای رباتیک خود، خوراکی به اندازه لقمه را بلعید. تقریباً 30 سال از زمانی که او قادر به تغذیه خود بود گذشته بود.

بسیاری از ما در مورد استفاده همزمان از دو دست خود فکر نمی کنیم - غذا خوردن با چاقو و چنگال، باز کردن یک بطری، در آغوش گرفتن یکی از عزیزان، لم دادن روی کاناپه و کنترل کننده بازی ویدیویی. هماهنگی به طور طبیعی به مغز ما می آید.

با این حال بازسازی این حرکت بی دردسر بین دو اندام مانع شده است رابط مغز و ماشین (BMI) کارشناسان برای سال. یکی از موانع اصلی پیچیدگی است: در یک تخمین، استفاده از اندام های روباتیک برای کارهای روزمره ممکن است به 34 درجه آزادی نیاز داشته باشد و حتی پیچیده ترین تنظیمات BMI را به چالش بکشد.

یک مطالعه جدید، به رهبری دکتر فرانچسکو وی تنور در دانشگاه جان هاپکینز، یک راه حل عالی پیدا کرد. ربات ها به لطف یادگیری ماشینی به طور فزاینده ای مستقل رشد کرده اند. به جای اینکه اندام های رباتیک را به عنوان یک ماشین صرف تلقی کنیم، چرا از برنامه ریزی پیچیده آنها استفاده نکنیم تا انسان و ربات بتوانند کنترل ها را به اشتراک بگذارند؟

این رویکرد کنترل مشترک برای استفاده از قابلیت‌های ذاتی رابط مغز و ماشین و سیستم رباتیک در نظر گرفته شده است و محیطی «بهترین از هر دو دنیا» ایجاد می‌کند که در آن کاربر می‌تواند رفتار یک پروتز هوشمند را شخصی‌سازی کند.» گفت: دکتر فرانچسکو تنوره.

مانند یک سیستم پرواز خودکار، این همکاری به انسان این امکان را می‌دهد که ربات را تنها با تمرکز بر چیزهایی که بیشترین اهمیت را دارد - در این مورد، اندازه بریدن هر لقمه کیک - "خلبان" کند و در عین حال عملیات‌های پیش پاافتاده‌تر را به نیمه‌ها واگذار کند. ربات خودمختار

این تیم گفت، امید این است که این «سیستم‌های نورروباتیک» - یک ترکیب ذهنی واقعی بین سیگنال‌های عصبی مغز و الگوریتم‌های هوشمند یک ربات - بتوانند «استقلال و عملکرد کاربر را بهبود بخشند».

مشکل دو

مغز سیگنال‌های الکتریکی را برای کنترل حرکت به ماهیچه‌های ما می‌فرستد و این دستورالعمل‌ها را بر اساس بازخوردی که دریافت می‌کند تنظیم می‌کند - برای مثال، آنهایی که برای فشار یا موقعیت یک اندام در فضا رمزگذاری می‌کنند. آسیب های نخاعی یا سایر بیماری هایی که به این شاهراه سیگنال دهی آسیب می رسانند، فرمان مغز را بر عضلات قطع می کنند و منجر به فلج می شوند.

BMI اساساً یک پل در سراسر سیستم عصبی آسیب دیده ایجاد می کند و به دستورات عصبی اجازه می دهد تا از طریق آنها عبور کنند - خواه برای کار با اندام های سالم باشد یا پروتزهای متصل. از بازیابی دست خط و گفتار گرفته تا درک تحریک و کنترل اندام های روباتیک، BMI راه را برای بازیابی زندگی افراد هموار کرده است.

با این حال، این فناوری با یک مشکل دردسرساز مواجه شده است: کنترل مضاعف. تاکنون موفقیت در BMI تا حد زیادی محدود به حرکت دادن یک اندام - بدن یا غیره - بوده است. با این حال، در زندگی روزمره، ما برای ساده‌ترین کارها به هر دو دست نیاز داریم – یک ابرقدرت نادیده گرفته شده که دانشمندان آن را «حرکات دو دستی» می‌نامند.

در سال 2013، دکتر میگل نیکوللیس، پیشگام BMI در دانشگاه دوک ارائه شد اولین شواهد که کنترل دو دستی با BMI غیرممکن نیست. در دو میمون کاشته‌شده با ریزآرایه‌های الکترودی، سیگنال‌های عصبی از تقریباً 500 نورون برای کمک به میمون‌ها برای کنترل دو بازوی مجازی با استفاده از ذهنشان کافی بود تا یک کار رایانه‌ای را برای یک پاداش (به معنای واقعی کلمه) حل کنند. در حالی که اولین گام امیدوارکننده بود، کارشناسان در آن زمان شگفت زده آیا این راه‌اندازی می‌تواند با فعالیت‌های پیچیده‌تر انسانی کار کند؟

کمک به دست

مطالعه جدید رویکرد متفاوتی داشت: کنترل مشترک مشارکتی. ایده ساده است. اگر استفاده از سیگنال‌های عصبی برای کنترل هر دو بازوی رباتیک برای ایمپلنت‌های مغزی به تنهایی بسیار پیچیده است، چرا اجازه نمی‌دهیم رباتیک هوشمند بخشی از بار پردازش را بردارد؟

از نظر عملی، ربات‌ها ابتدا برای چندین حرکت ساده از قبل برنامه‌ریزی شده‌اند، در حالی که فضایی را برای انسان باقی می‌گذارند تا بر اساس ترجیحات خود، موارد خاص را کنترل کند. این مانند دوچرخه سواری پشت سر هم ربات و انسان است: دستگاه بر اساس دستورالعمل های الگوریتمی خود با سرعت های مختلف پدال می زند در حالی که مرد میله های دسته و ترمز را کنترل می کند.

برای راه اندازی این سیستم، تیم ابتدا الگوریتمی را برای رمزگشایی ذهن داوطلب آموزش داد. این مرد 49 ساله تقریباً 30 سال قبل از آزمایش از آسیب نخاعی رنج می برد. او هنوز حداقل حرکت را در شانه و آرنج خود داشت و می‌توانست مچ دست خود را دراز کند. با این حال، مغز او مدتها بود که کنترل انگشتانش را از دست داده بود و هر گونه کنترل حرکتی ظریفی را از او سلب کرده بود.

این تیم ابتدا شش ریزآرایه الکترودی را در قسمت‌های مختلف قشر او کاشته کردند. در سمت چپ مغز او - که سمت غالب او، سمت راست را کنترل می کند - دو آرایه را به ترتیب در ناحیه حرکتی و حسی قرار دادند. نواحی مربوط به سمت راست مغز - که دست غیر غالب او را کنترل می کند - هر کدام یک آرایه دریافت کردند.

سپس تیم به مرد دستور داد تا یک سری حرکات دست را به بهترین شکل ممکن انجام دهد. هر حرکت - خم کردن مچ دست چپ یا راست، باز کردن یا نیشگون گرفتن دست - در جهت حرکت ترسیم می‌شد. به عنوان مثال، خم کردن مچ دست راست در حالی که سمت چپ خود را دراز می کند (و بالعکس) با حرکت در جهت های افقی مطابقت دارد. هر دو دست را باز کنید یا کدهایی را برای حرکت عمودی فشار دهید.

در تمام این مدت، تیم سیگنال‌های عصبی را جمع‌آوری کرد که هر حرکت دست را رمزگذاری می‌کرد. این داده ها برای آموزش الگوریتمی برای رمزگشایی ژست مورد نظر و قدرت بخشیدن به جفت بازوی روباتیک علمی خارجی با تقریباً 85 درصد موفقیت استفاده شد.

بذار کیک بخوره

بازوهای رباتیک نیز مقداری پیش آموزش دریافت کردند. با استفاده از شبیه‌سازی، تیم ابتدا به بازوها ایده دادند که کیک در کجای بشقاب قرار می‌گیرد، بشقاب روی میز کجا قرار می‌گیرد و تقریباً چقدر کیک از دهان شرکت‌کننده فاصله دارد. آنها همچنین سرعت و دامنه حرکت بازوهای رباتیک را به خوبی تنظیم کردند - بالاخره هیچ کس نمی‌خواهد بازوی رباتیک غول‌پیکری را ببیند که با یک چنگال نوک تیز به سمت صورت شما پرواز می‌کند و یک تکه کیک آویزان و ژولیده دارد.

در این تنظیم، شرکت‌کننده می‌توانست تا حدی موقعیت و جهت بازوها را کنترل کند، با حداکثر دو درجه آزادی در هر طرف - به عنوان مثال، به او اجازه می‌دهد هر بازوی خود را به چپ به راست، جلو به عقب، یا چپ به راست بچرخاند. . در همین حال، ربات از بقیه پیچیدگی های حرکت مراقبت کرد.

برای کمک بیشتر به همکاری، یک صدای روباتی هر مرحله را صدا زد تا به تیم کمک کند تکه‌ای از کیک را بریده و به دهان شرکت‌کننده بیاورد.

مرد اولین حرکت را داشت. او با تمرکز بر حرکت مچ دست راست، دست روباتیک راست را به سمت کیک قرار داد. سپس ربات کار را به دست گرفت و به طور خودکار نوک چنگال را به سمت کیک حرکت داد. سپس مرد می‌تواند با استفاده از کنترل‌های عصبی از قبل آموزش‌دیده، موقعیت دقیق چنگال را تعیین کند.

پس از تنظیم، ربات به طور خودکار دست چاقو را به سمت چپ چنگال حرکت داد. مرد دوباره تنظیماتی را انجام داد تا کیک را به اندازه دلخواه خود برش دهد، قبل از اینکه ربات به طور خودکار کیک را بریده و به دهانش آورد.

نویسندگان می‌گویند: «مصرف شیرینی اختیاری بود، اما شرکت‌کننده با توجه به خوشمزه بودن آن، این کار را انتخاب کرد.

این مطالعه 37 کارآزمایی داشت که اکثر آنها کالیبراسیون بودند. در مجموع، این مرد از ذهن خود برای خوردن هفت لقمه کیک استفاده کرد که همگی «با اندازه معقول» و بدون انداختن هیچ کدام.

مطمئناً این سیستمی نیست که به این زودی وارد خانه شما شود. بر اساس یک جفت بازوی رباتیک غول پیکر توسعه یافته توسط دارپا، این راه اندازی به دانش از پیش برنامه ریزی شده گسترده ای برای ربات نیاز دارد، به این معنی که در هر زمان می تواند تنها یک کار واحد را مجاز کند. در حال حاضر، این مطالعه بیشتر یک اثبات اکتشافی برای مفهوم چگونگی ترکیب سیگنال‌های عصبی با استقلال روبات برای گسترش بیشتر قابلیت‌های BMI است.

اما به عنوان مبحث اعضای مصنوعی باهوش تر و مقرون به صرفه تر می شوند، تیم به آینده نگاه می کند.

"هدف نهایی، خودمختاری قابل تنظیم است که از هر سیگنال BMI در دسترس است استفاده کند

حداکثر اثربخشی آنها، انسان را قادر می‌سازد تا چند DOF [درجات آزادی] را کنترل کند که مستقیماً بر عملکرد کیفی یک کار تأثیر می‌گذارد در حالی که ربات از بقیه مراقبت می‌کند.» مطالعات آتی مرزهای این ذهنیت‌های انسان و ربات را بررسی می‌کند و آن را تحت فشار قرار می‌دهد.

تصویر های اعتباری: آزمایشگاه فیزیک کاربردی جان هاپکینز

• Coinsmart. بهترین صرافی بیت کوین و کریپتو اروپا.
• پلاتوبلاک چین. Web3 Metaverse Intelligence. دانش تقویت شده دسترسی رایگان.
• CryptoHawk. رادار آلت کوین امتحان رایگان.
• منبع: https://singularityhub.com/2022/07/05/a-paralyzed-man-used-his-mind-to-control-two-robotic-arms-to-eat-cake/