麻痺した男は、ケーキを食べるためにXNUMXつのロボットアームを制御するために彼の心を使用しました

男は椅子にじっと座って、目の前のテーブルの上のケーキをじっと見つめていた。 彼の脳の電極インプラントからワイヤーが突き出ていた。 彼の側面にはXNUMXつの巨大なロボットアームがあり、それぞれが上半身全体よりも大きかった。 XNUMXつはナイフを持ち、もうXNUMXつはフォークを持っていました。

「食べ物を切って食べなさい。 右手を前に動かして開始します」とロボットの声を注文しました。

男は部分的に麻痺した右腕を前に動かすことに集中した。 彼の手首はかろうじてぴくぴく動いたが、ロボットの右手はスムーズに前方に進み、フォークの先端をケーキの近くに置いた。 彼の左手の別のわずかな動きはナイフを前方に送りました。

いくつかの命令の後、男は喜んで口を開け、一口サイズの御馳走をむさぼり食い、ロボットのアバターの助けを借りて個人的な好みにカットしました。 彼が自分で食事をすることができてからおよそ30年が経ちました。

私たちのほとんどは、ナイフとフォークで食べる、ボトルを開ける、愛する人を抱き締める、ビデオゲームのコントローラーを操作するソファでくつろぐなど、XNUMX本の腕を同時に使用することについてXNUMX度考えません。 協調は自然に私たちの脳にもたらされます。

しかし、XNUMX本の手足の間のこの楽な動きを再構築することは妨げられました ブレインマシンインターフェース （BMI）何年にもわたる専門家。 主な障害は、非常に複雑なレベルです。ある見積もりでは、日常生活のタスクにロボットの手足を使用するには、34の自由度が必要であり、最も洗練されたBMI設定でさえ挑戦します。

新しい研究ジョンズホプキンス大学のフランチェスコV.テノーレ博士が率いる、素晴らしい回避策を見つけました。 機械学習のおかげで、ロボットはますます自律的に成長しています。 ロボットの手足を単なる機械として扱うのではなく、人間とロボットが制御を共有できるように、洗練されたプログラミングを利用してみませんか？

「この共有制御アプローチは、ブレインマシンインターフェースとロボットシステムの固有の機能を活用して、ユーザーがスマートプロテーゼの動作をパーソナライズできる「両方の長所」の環境を作成することを目的としています。」 と フランチェスコ・テノーレ博士。

自動飛行システムのように、このコラボレーションにより、人間は最も重要なもの（この場合は、ケーキの各一口をどれだけ大きく切るか）にのみ焦点を当て、ロボットを「操縦」することができます。自律型ロボット。

チームによると、これらの「ニューロロボティクスシステム」（脳の神経信号とロボットのスマートアルゴリズムの真の融合）が「ユーザーの独立性と機能性を向上させる」ことができるということです。

ダブル·トラブル

脳は電気信号を私たちの筋肉に送り、動きを制御し、受け取ったフィードバックに基づいてそれらの指示を調整します。たとえば、圧力や空間内の手足の位置をエンコードするものなどです。 この信号高速道路を損傷する脊髄損傷または他の疾患は、筋肉に対する脳の命令を切断し、麻痺を引き起こします。

BMIは基本的に、負傷した神経系に橋を架け、健康な手足や付属の義肢を操作する場合でも、神経コマンドが流れるようにします。 手書きやスピーチの復元から刺激の知覚やロボットの手足の制御まで、BMIは人々の生活を復元するための道を開いてきました。

それでも、技術は厄介な問題、つまりダブルコントロールに悩まされてきました。 これまでのところ、BMIでの成功は、主に片方の手足を動かすことに限定されていました。 しかし、日常生活では、最も単純なタスク、つまり科学者が「両手で動かす」と呼ぶ見過ごされている超大国のために、両方の腕が必要です。

2013年に、デューク大学のBMIパイオニアであるミゲルニコレリス博士が発表しました 最初の証拠 BMIによるその両手による制御は不可能ではありません。 電極マイクロアレイが埋め込まれた500匹のサルでは、約XNUMX個のニューロンからの神経信号で、サルが（文字通り）ジューシーな報酬を得るためにコンピューター化されたタスクを解決するために、心だけを使ってXNUMXつの仮想腕を制御するのに十分でした。 有望な第一歩でありながら、当時の専門家 疑問に思った セットアップがより複雑な人間の活動で機能するかどうか。

救いの手

新しい研究では、別のアプローチを採用しました。それは、協調的な共有制御です。 アイデアは単純です。 神経信号を使用して両方のロボットアームを制御するのが複雑すぎて脳インプラントだけでは不十分な場合は、スマートロボティクスが処理負荷の一部を取り除けるようにしてみませんか？

実際には、ロボットは最初にいくつかの単純な動きのために事前にプログラムされていますが、人間が好みに基づいて詳細を制御する余地を残しています。 これは、ロボットと人間のタンデムバイクに乗るようなものです。人間がハンドルバーとブレーキを制御している間、アルゴリズムの指示に基づいてさまざまな速度で機械がペダルを踏みます。

システムをセットアップするために、チームは最初にボランティアの心を解読するアルゴリズムを訓練しました。 49歳の男性は、検査の約30年前に脊髄損傷を負いました。 彼はまだ肩と肘の動きが最小限で、手首を伸ばすことができました。 しかし、彼の脳は長い間彼の指の制御を失い、細かい運動制御を奪っていました。

チームは最初にXNUMXつの電極マイクロアレイを彼の皮質のさまざまな部分に移植しました。 彼の支配的な側である右側を制御する彼の脳の左側で、彼らはそれぞれ運動領域と感覚領域にXNUMXつのアレイを挿入しました。 対応する右脳領域（利き手ではない手を制御する）は、それぞれXNUMXつのアレイを受け取りました。

チームは次に、彼の能力を最大限に発揮するために一連の手の動きを実行するように男性に指示しました。 左手首または右手首を曲げたり、手を開いたりつまんだりする各ジェスチャは、移動方向にマッピングされました。 たとえば、左手首を伸ばしながら右手首を曲げる（およびその逆）ことは、水平方向の動きに対応していました。 両手を開くか、垂直方向の動きのためにコードをつまんでください。

その間、チームはそれぞれの手の動きをエンコードする神経信号を収集しました。 このデータを使用して、目的のジェスチャをデコードし、SFロボットアームの外部ペアに電力を供給するアルゴリズムをトレーニングし、約85％の成功を収めました。

彼にケーキを食べさせてください

ロボットアームも事前トレーニングを受けました。 チームはシミュレーションを使用して、最初にケーキがプレートのどこにあるか、プレートがテーブルのどこに置かれるか、そしてケーキが参加者の口からどれくらい離れているかについてのアイデアを腕に与えました。 彼らはまた、ロボットアームの速度と動きの範囲を微調整しました。結局のところ、巨大なロボットアームが、ぶら下がっている、壊れたケーキであなたの顔を飛んでいる先のとがったフォークで握っているのを見たくありません。

この設定では、参加者は腕の位置と向きを部分的に制御でき、各側で最大XNUMX自由度を使用できます。たとえば、腕を左右、前後に動かしたり、左右に回転させたりできます。 。 その間、ロボットは残りの動きの複雑さを処理しました。

コラボレーションをさらに支援するために、ロボットの声が各ステップを呼び出し、チームがケーキを切り取って参加者の口に運ぶのを助けました。

男は最初の動きをしました。 彼は右手首の動きに集中することで、右ロボットの手をケーキの方に向けました。 その後、ロボットが引き継ぎ、フォークの先端をケーキに自動的に移動しました。 男性は、事前に訓練された神経制御を使用して、フォークの正確な位置を決定できます。

設定されると、ロボットは自動的にナイフを振るう手をフォークの左側に動かしました。 男は再びケーキを希望のサイズにカットするように調整した後、ロボットが自動的にケーキをカットして口に運びました。

「ペストリーの消費は任意でしたが、参加者はそれが美味しかったのでそうすることを選びました」と著者は言いました。

この研究には37回の試行があり、その大部分はキャリブレーションでした。 全体的に、男は心を使って、すべて「適度なサイズ」で、何も落とさずに、XNUMXつのケーキを食べました。

それは確かにすぐにあなたの家に来るシステムではありません。 DARPAが開発したロボットアームの巨大なペアに基づいて、セットアップにはロボットの事前にプログラムされた広範な知識が必要です。つまり、一度にXNUMXつのタスクしか許可できません。 今のところ、この研究は、神経信号をロボットの自律性とブレンドしてBMI機能をさらに拡張する方法の概念実証です。

しかしとして 補綴 ますます賢く、より手頃な価格になり、チームは先を見据えています。

「究極の目標は、利用可能なBMI信号を活用する調整可能な自律性です。

それらの最大の効果により、人間がタスクの質的パフォーマンスに最も直接影響を与えるいくつかのDOF [自由度]を制御できるようになり、残りはロボットが処理します」とチームは述べています。 将来の研究は、これらの人間とロボットのマインドメルドの境界を探求し、推進するでしょう。

画像のクレジット： ジョンズホプキンス応用物理研究所

• コインスマート。 ヨーロッパで最高のビットコインと暗号通貨取引所。
• Platoblockchain。 Web3メタバースインテリジェンス。 知識の増幅。 出入り自由。
• CryptoHawk。 アルトコインレーダー。 無料トライアル。
• ソース：https：//singularityhub.com/2022/07/05/a-paralyzed-man-used-his-mind-to-control-two-robotic-arms-to-eat-cake/