Парализованный мужчина использовал свой разум, чтобы управлять двумя роботизированными руками, чтобы съесть торт PlatoРазведка данных на блокчейне. Вертикальный поиск. Ай.

Парализованный мужчина использовал свой разум, чтобы управлять двумя роботизированными руками, чтобы съесть торт

Отметка времени: 5 июля 2022 г., 5:11
Парализованный мужчина использовал свой разум, чтобы управлять двумя роботизированными руками, чтобы съесть торт PlatoРазведка данных на блокчейне. Вертикальный поиск. Ай.

Мужчина неподвижно сидел в кресле, пристально глядя на кусок торта на столе перед ним. Провода торчали из имплантированных электродов в его мозгу. По бокам от него стояли две гигантские роботизированные руки, каждая больше, чем вся его верхняя часть тела. Один держал нож, другой вилку.

«Режьте и ешьте еду. Выдвиньте правую руку вперед, чтобы начать, — приказал механический голос.

Мужчина сосредоточился на движении вперед своей частично парализованной правой руки. Его запястье почти не дернулось, но роботизированная правая рука плавно скользнула вперед, расположив кончик вилки рядом с тортом. Еще одно легкое движение его левой руки отправило нож вперед.

Спустя несколько команд мужчина радостно открыл рот и проглотил лакомство размером с укус, нарезанное по личному предпочтению с помощью его роботизированных аватаров. Прошло около 30 лет с тех пор, как он смог прокормить себя.

Большинство из нас не задумываются о том, чтобы использовать две руки одновременно: есть ножом и вилкой, открывать бутылку, обнимать любимого человека, бездельничать на диване и управлять игровым контроллером. Координация естественным образом приходит к нашему мозгу.

Тем не менее, реконструкция этого легкого движения между двумя конечностями зашла в тупик. интерфейс мозг-машина (ИМТ) эксперты в течение многих лет. Основным препятствием является сам уровень сложности: по одной оценке, использование роботизированных конечностей для повседневных жизненных задач может потребовать 34 степени свободы, что бросает вызов даже самым сложным настройкам ИМТ.

Новое исследование, возглавляемый доктором Франческо В. Тенором из Университета Джона Хопкинса, нашел блестящий обходной путь. Роботы становятся все более автономными благодаря машинному обучению. Вместо того, чтобы относиться к роботизированным конечностям как к простому механизму, почему бы не использовать их сложное программирование, чтобы человек и робот могли совместно управлять ими?

«Этот подход к совместному управлению предназначен для использования внутренних возможностей интерфейса «мозг-машина» и роботизированной системы, создавая среду «лучшее из обоих миров», в которой пользователь может персонализировать поведение интеллектуального протеза». — сказал Доктор Франческо Теноре.

Подобно автоматизированной системе полета, это сотрудничество позволяет человеку «пилотировать» робота, сосредоточив внимание только на самых важных вещах — в данном случае, на том, насколько большим должен быть разрезанный кусок торта, — оставляя более рутинные операции на полууправление. автономный робот.

Есть надежда, что эти «нейророботизированные системы» — истинное сочетание нейронных сигналов мозга и интеллектуальных алгоритмов робота — смогут «улучшить независимость и функциональность пользователя», заявила команда.

Double Trouble

Мозг посылает электрические сигналы нашим мышцам для управления движением и корректирует эти инструкции на основе получаемой им обратной связи — например, кодирования давления или положения конечности в пространстве. Травмы спинного мозга или другие заболевания, которые повреждают эту сигнальную магистраль, нарушают контроль мозга над мышцами, что приводит к параличу.

ИМТ, по сути, создает мост через поврежденную нервную систему, позволяя нейронным командам проходить через нее — будь то управление здоровыми конечностями или прикрепленными протезами. От восстановления почерка и речи до восприятия стимуляции и управления роботизированными конечностями ИМТ проложили путь к восстановлению жизни людей.

Тем не менее, технология страдает от тревожной икоты: двойной контроль. До сих пор успех в ИМТ в основном ограничивался движением одной конечности — тела или чего-то еще. Тем не менее, в повседневной жизни нам нужны обе руки для выполнения простейших задач — недооцененная сверхспособность, которую ученые называют «бимануальными движениями».

Еще в 2013 году пионер ИМТ доктор Мигель Николелис из Университета Дьюка представил первое свидетельство что двуручное управление с помощью ИМТ возможно. У двух обезьян с имплантированными электродными микрочипами нейронных сигналов от примерно 500 нейронов было достаточно, чтобы помочь обезьянам управлять двумя виртуальными руками, используя только свой разум для решения компьютеризированной задачи за (буквально) сочную награду. Хотя первый шаг был многообещающим, эксперты того времени задавались вопросом может ли установка работать с более сложной человеческой деятельностью.

Рука помощи

В новом исследовании использовался другой подход: совместный общий контроль. Идея проста. Если использование нейронных сигналов для управления обеими манипуляторами слишком сложно для одних мозговых имплантатов, почему бы не позволить интеллектуальной робототехнике снять часть вычислительной нагрузки?

С практической точки зрения, роботы сначала предварительно запрограммированы на несколько простых движений, при этом оставляя человеку возможность контролировать особенности в зависимости от их предпочтений. Это похоже на тандемную велопрогулку робота и человека: машина крутит педали с разной скоростью в соответствии с алгоритмическими инструкциями, в то время как человек управляет рулем и тормозами.

Чтобы настроить систему, команда сначала обучила алгоритм декодированию мыслей добровольца. 49-летний мужчина получил травму спинного мозга примерно за 30 лет до тестирования. У него все еще были минимальные движения в плече и локте, и он мог разгибать запястья. Однако его мозг уже давно потерял контроль над пальцами, лишив его мелкой моторики.

Команда сначала имплантировала шесть микрочипов электродов в различные части его коры. В левую часть его мозга, которая контролирует его доминирующую сторону, правую сторону, они вставили два массива в моторную и сенсорную области соответственно. Соответствующие правые области мозга, контролирующие его недоминирующую руку, получили по одному массиву каждая.

Затем команда поручила мужчине выполнить серию движений руками в меру своих возможностей. Каждый жест — сгибание левого или правого запястья, раскрытие или сжатие руки — был привязан к направлению движения. Например, сгибание правого запястья при разгибании левого (и наоборот) соответствовало движению в горизонтальном направлении; обе руки открыты или щипают коды для вертикального движения.

Все это время команда собирала нейронные сигналы, кодирующие каждое движение руки. Данные использовались для обучения алгоритма декодированию предполагаемого жеста и приведения в действие внешней пары научно-фантастических роботов-манипуляторов с примерно 85-процентным успехом.

Пусть ест торт

Роботизированные руки также прошли предварительную подготовку. Используя симуляции, команда сначала дала рукам представление о том, где будет торт на тарелке, где тарелка будет поставлена ​​на стол и примерно как далеко торт будет ото рта участника. Они также точно настроили скорость и диапазон движения роботизированных рук — в конце концов, никто не хочет видеть, как гигантская роботизированная рука с заостренной вилкой летит вам в лицо с болтающимся изуродованным куском пирога.

В этой конфигурации участник мог частично контролировать положение и ориентацию рук с двумя степенями свободы с каждой стороны, например, позволяя ему двигать любой рукой влево-вправо, вперед-назад или вращать влево-вправо. . Между тем, робот позаботился об остальных сложностях движения.

Чтобы еще больше помочь сотрудничеству, голос робота озвучивал каждый шаг, чтобы помочь команде отрезать кусок пирога и поднести его ко рту участника.

Мужчина сделал первый шаг. Сосредоточившись на движении правого запястья, он направил правую роботизированную руку на торт. Затем за дело взялся робот, который автоматически поднес кончик вилки к пирогу. Затем человек мог определить точное положение вилки, используя предварительно обученный нейронный контроль.

После настройки робот автоматически перемещал руку с ножом влево от вилки. Мужчина снова внес коррективы, чтобы разрезать торт до желаемого размера, прежде чем робот автоматически разрезал торт и поднес его ко рту.

«Употребление выпечки было необязательным, но участник решил сделать это, потому что оно было восхитительным», — сказали авторы.

В исследовании было 37 испытаний, большинство из которых были калибровочными. В целом, мужчина использовал свой разум, чтобы съесть семь кусочков пирожных, все «разумного размера» и не уронив ни одного.

Это определенно не та система, которая появится у вас дома в ближайшее время. Основанная на гигантской паре роботов-манипуляторов, разработанных DARPA, установка требует от робота обширных предварительно запрограммированных знаний, что означает, что он может выполнять только одну задачу в любой момент времени. На данный момент исследование является скорее предварительным доказательством концепции того, как смешивать нейронные сигналы с автономией робота для дальнейшего расширения возможностей ИМТ.

Но, как протезирование становится все умнее и доступнее, команда смотрит вперед.

«Конечная цель — регулируемая автономия, которая использует любые сигналы ИМТ, доступные для

их максимальная эффективность, позволяющая человеку контролировать несколько степеней свободы, которые самым непосредственным образом влияют на качественное выполнение задачи, в то время как робот позаботится обо всем остальном», — сказали в команде. Будущие исследования будут исследовать и раздвигать границы этих слияний разума человека и робота.

Изображение Фото: Лаборатория прикладной физики Джона Хопкинса

Отметка времени:

Больше от Singularity Hub