Seorang Pria Lumpuh Menggunakan Pikirannya untuk Mengendalikan Dua Lengan Robot untuk Makan Kue

Pria itu duduk diam di kursi, menatap tajam ke sepotong kue di atas meja di depannya. Kabel menonjol dari implan elektroda di otaknya. Mengapitnya adalah dua lengan robot raksasa, masing-masing lebih besar dari seluruh tubuh bagian atasnya. Satu memegang pisau, yang lain garpu.

“Potong dan makan makanan. Gerakkan tangan kanan ke depan untuk memulai,” perintah suara robot.

Pria itu berkonsentrasi untuk menggerakkan lengan kanannya yang lumpuh sebagian ke depan. Pergelangan tangannya nyaris tidak bergerak, tapi tangan kanan robot itu meluncur mulus ke depan, menempatkan ujung garpu di dekat kue. Gerakan kecil lain dari tangan kirinya mengirim pisau ke depan.

Beberapa perintah kemudian, pria itu dengan senang hati membuka mulutnya dan melahap makanan seukuran gigitan, dipotong sesuai keinginan pribadi dengan bantuan dari avatar robotnya. Sudah sekitar 30 tahun sejak dia bisa makan sendiri.

Sebagian besar dari kita tidak berpikir dua kali untuk menggunakan kedua tangan secara bersamaan—makan dengan pisau dan garpu, membuka botol, memeluk orang yang dicintai, bersantai di sofa mengoperasikan pengontrol video game. Koordinasi datang secara alami ke otak kita.

Namun merekonstruksi gerakan tanpa usaha antara dua anggota badan ini telah terhalang antarmuka otak-mesin (BMI) ahli selama bertahun-tahun. Hambatan utama adalah tingkat kerumitannya: dalam satu perkiraan, menggunakan anggota tubuh robot untuk tugas sehari-hari mungkin memerlukan 34 derajat kebebasan, bahkan menantang pengaturan BMI yang paling canggih sekalipun.

Sebuah studi baru, dipimpin oleh Dr. Francesco V. Tenore di Universitas Johns Hopkins, menemukan solusi yang brilian. Robot telah tumbuh semakin otonom berkat pembelajaran mesin. Daripada memperlakukan anggota tubuh robot sebagai mesin belaka, mengapa tidak memanfaatkan pemrograman canggih mereka sehingga manusia dan robot dapat berbagi kontrol?

“Pendekatan kontrol bersama ini dimaksudkan untuk meningkatkan kemampuan intrinsik dari antarmuka otak-mesin dan sistem robot, menciptakan lingkungan 'terbaik dari kedua dunia' di mana pengguna dapat mempersonalisasi perilaku prostesis pintar,” tersebut Dr.Francesco Tenore.

Seperti sistem penerbangan otomatis, kolaborasi ini memungkinkan manusia untuk "menerbangkan" robot dengan hanya berfokus pada hal-hal yang paling penting—dalam hal ini, seberapa besar untuk memotong setiap gigitan kue—sambil menyerahkan lebih banyak operasi biasa ke semi- robot otonom.

Harapannya adalah bahwa "sistem neurorobotik" ini—perpaduan pikiran sejati antara sinyal saraf otak dan algoritma cerdas robot—dapat “meningkatkan kemandirian dan fungsionalitas pengguna,” kata tim tersebut.

Masalah ganda

Otak mengirimkan sinyal listrik ke otot kita untuk mengontrol gerakan dan menyesuaikan instruksi tersebut berdasarkan umpan balik yang diterimanya—misalnya, yang mengkodekan tekanan atau posisi anggota tubuh di luar angkasa. Cedera tulang belakang atau penyakit lain yang merusak jalan raya pensinyalan ini memutuskan perintah otak atas otot, yang menyebabkan kelumpuhan.

BMI pada dasarnya membangun jembatan melintasi sistem saraf yang terluka, memungkinkan perintah saraf mengalir melalui — apakah itu untuk mengoperasikan anggota tubuh yang sehat atau prostetik yang terpasang. Dari memulihkan tulisan tangan dan ucapan hingga merasakan stimulasi dan mengendalikan anggota tubuh robot, BMI telah membuka jalan menuju pemulihan kehidupan masyarakat.

Namun teknologi telah diganggu oleh cegukan yang mengganggu: kontrol ganda. Sejauh ini, keberhasilan dalam BMI sebagian besar terbatas pada menggerakkan satu anggota tubuh—tubuh atau lainnya. Namun dalam kehidupan sehari-hari, kita membutuhkan kedua tangan untuk tugas yang paling sederhana—kekuatan super yang diabaikan yang oleh para ilmuwan disebut "gerakan bimanual".

Kembali pada tahun 2013, pelopor BMI Dr. Miguel Nicolelis di Duke University mempresentasikan bukti pertama bahwa kontrol bimanual dengan BMI bukan tidak mungkin. Dalam dua monyet yang ditanamkan dengan microarray elektroda, sinyal saraf dari sekitar 500 neuron sudah cukup untuk membantu monyet mengendalikan dua lengan virtual hanya dengan menggunakan pikiran mereka untuk menyelesaikan tugas terkomputerisasi untuk hadiah (secara harfiah) menarik. Sementara langkah pertama yang menjanjikan, para ahli pada saat itu bertanya-tanya apakah pengaturan dapat bekerja dengan aktivitas manusia yang lebih kompleks.

Uluran tangan

Studi baru mengambil pendekatan yang berbeda: kontrol bersama kolaboratif. Idenya sederhana. Jika menggunakan sinyal saraf untuk mengontrol kedua lengan robot terlalu rumit untuk implan otak saja, mengapa tidak membiarkan robotika pintar melepaskan sebagian beban pemrosesan?

Dalam istilah praktis, robot pertama-tama diprogram untuk beberapa gerakan sederhana, sambil memberikan ruang bagi manusia untuk mengontrol spesifik berdasarkan preferensi mereka. Ini seperti robot dan sepeda tandem manusia: mesin mengayuh pada kecepatan yang berbeda-beda berdasarkan instruksi algoritmiknya sementara pria itu mengontrol stang dan rem.

Untuk menyiapkan sistem, tim pertama-tama melatih algoritme untuk memecahkan kode pikiran sukarelawan. Pria berusia 49 tahun itu menderita cedera tulang belakang sekitar 30 tahun sebelum pengujian. Dia masih memiliki gerakan minimal di bahu dan sikunya dan bisa memperpanjang pergelangan tangannya. Namun, otaknya telah lama kehilangan kendali atas jari-jarinya, merampas kendali motorik halusnya.

Tim pertama kali menanamkan enam mikroarray elektroda ke berbagai bagian korteksnya. Di sisi kiri otaknya—yang mengontrol sisi dominannya, sisi kanan—mereka memasukkan dua susunan ke dalam daerah motorik dan sensorik, masing-masing. Wilayah otak kanan yang sesuai—mengendalikan tangannya yang tidak dominan—masing-masing menerima satu larik.

Tim selanjutnya menginstruksikan pria tersebut untuk melakukan serangkaian gerakan tangan dengan kemampuan terbaiknya. Setiap gerakan—melenturkan pergelangan tangan kiri atau kanan, membuka atau mencubit tangan—dipetakan ke arah gerakan. Misalnya, melenturkan pergelangan tangan kanannya sambil merentangkan tangan kirinya (dan sebaliknya) berhubungan dengan gerakan dalam arah horizontal; kedua tangan membuka atau mencubit kode untuk gerakan vertikal.

Sementara itu, tim mengumpulkan sinyal saraf yang mengkodekan setiap gerakan tangan. Data tersebut digunakan untuk melatih algoritme untuk memecahkan kode gerakan yang dimaksudkan dan memberi daya pada sepasang lengan robot scifi eksternal, dengan sekitar 85 persen keberhasilan.

Biarkan Dia Makan Kue

Lengan robot juga menerima beberapa pelatihan. Dengan menggunakan simulasi, tim pertama-tama memberi gambaran pada lengan tentang di mana kue akan diletakkan di piring, di mana piring akan diletakkan di atas meja, dan kira-kira seberapa jauh kue itu dari mulut peserta. Mereka juga menyempurnakan kecepatan dan jangkauan gerakan lengan robot—bagaimanapun juga, tak seorang pun ingin melihat lengan robot raksasa mencengkeram dengan garpu runcing terbang ke wajah Anda dengan sepotong kue yang menjuntai dan hancur.

Dalam pengaturan ini, peserta dapat mengontrol sebagian posisi dan orientasi lengan, dengan hingga dua derajat kebebasan di setiap sisi—misalnya, memungkinkannya untuk menggerakkan lengan kiri-kanan, maju-mundur, atau berguling kiri-kanan. . Sementara itu, robot menangani kompleksitas gerakan lainnya.

Untuk lebih membantu kolaborasi, suara robot memanggil setiap langkah untuk membantu tim memotong sepotong kue dan membawanya ke mulut peserta.

Pria itu memiliki langkah pertama. Dengan berkonsentrasi pada gerakan pergelangan tangan kanannya, dia memposisikan tangan robot kanannya ke arah kue. Robot kemudian mengambil alih, secara otomatis menggerakkan ujung garpu ke kue. Pria itu kemudian dapat memutuskan posisi garpu yang tepat menggunakan kontrol saraf yang telah dilatih sebelumnya.

Setelah diatur, robot secara otomatis menggerakkan tangan yang memegang pisau ke arah kiri garpu. Pria itu kembali melakukan penyesuaian untuk memotong kue sesuai ukuran yang diinginkan, sebelum robot secara otomatis memotong kue dan membawanya ke mulutnya.

“Mengonsumsi kue adalah opsional, tetapi peserta memilih untuk melakukannya karena rasanya yang lezat,” kata para penulis.

Penelitian ini memiliki 37 percobaan, dengan mayoritas kalibrasi. Secara keseluruhan, pria itu menggunakan pikirannya untuk makan tujuh suap kue, semuanya "ukurannya cukup" dan tanpa menjatuhkan satu pun.

Ini tentu saja bukan sistem yang akan datang ke rumah Anda dalam waktu dekat. Berdasarkan sepasang lengan robot raksasa yang dikembangkan DARPA, penyiapannya membutuhkan pengetahuan luas yang telah diprogram sebelumnya untuk robot, yang berarti hanya dapat memungkinkan satu tugas pada waktu tertentu. Untuk saat ini, penelitian ini lebih merupakan bukti eksplorasi konsep tentang bagaimana memadukan sinyal saraf dengan otonomi robot untuk lebih memperluas kemampuan BMI.

Tapi seperti prosthetics menjadi semakin pintar dan terjangkau, tim melihat ke depan.

“Tujuan utamanya adalah otonomi yang dapat disesuaikan yang memanfaatkan sinyal BMI apa pun yang tersedia untuk

efektivitas maksimum mereka, memungkinkan manusia untuk mengontrol beberapa DOF [derajat kebebasan] yang paling langsung berdampak pada kinerja kualitatif tugas sementara robot menangani sisanya, ”kata tim. Studi di masa depan akan mengeksplorasi — dan mendorong — batas-batas mindmelds manusia-robot ini.

Gambar Kredit: Laboratorium Fisika Terapan Johns Hopkins

• Coinsmart. Pertukaran Bitcoin dan Crypto Terbaik Eropa.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. AKSES GRATIS.
• CryptoHawk. Radar Altcoin. Uji Coba Gratis.
• Sumber: https://singularityhub.com/2022/07/05/a-paralyzed-man-used-his-mind-to-control-two-robotic-arms-to-eat-cake/