Paraliziran moški je uporabil svoj um za nadzor dveh robotskih rok, da bi jedel torto

Moški je mirno sedel na stolu in pozorno strmel v kos torte na mizi pred seboj. Iz elektrodnih vsadkov v njegovih možganih so štrlele žice. Ob strani sta bili dve ogromni robotski roki, vsaka večja od celotnega zgornjega dela telesa. Eden je držal nož, drugi vilice.

»Režite in jejte hrano. Za začetek premakni desno roko naprej,« je ukazal robotski glas.

Moški se je osredotočil na premikanje svoje delno paralizirane desne roke naprej. Njegovo zapestje je komaj trznilo, toda robotska desnica je gladko plula naprej in postavila konico vilice blizu torte. Še en rahel premik leve roke je poslal nož naprej.

Nekaj ​​ukazov kasneje je moški veselo odprl usta in požrl priboljšek v velikosti grižljaja, razrezan po osebnih željah s pomočjo svojih robotskih avatarjev. Minilo je približno 30 let, odkar se je lahko sam hranil.

Večina od nas ne pomisli dvakrat, da bi uporabljali obe roki hkrati – jesti z nožem in vilicami, odpirati steklenico, objemati ljubljeno osebo, poležavati na kavču in upravljati krmilnik za video igre. Usklajevanje je naravno v naših možganih.

Vendar je rekonstrukcija tega lahkotnega gibanja med dvema okončinama zastala vmesnik možgani-stroj (BMI) strokovnjaki že leta. Glavna ovira je sama stopnja kompleksnosti: po eni oceni lahko uporaba robotskih okončin za vsakodnevna življenjska opravila zahteva 34 stopinj svobode, kar predstavlja izziv tudi za najbolj izpopolnjene nastavitve BMI.

Nova študija, ki ga vodi dr. Francesco V. Tenore z Univerze Johns Hopkins, je našel odlično rešitev. Roboti so zaradi strojnega učenja postali vse bolj avtonomni. Zakaj ne bi robotskih okončin obravnavali le kot stroje, zakaj ne bi uporabili njihovega prefinjenega programiranja, da si lahko človek in robot delita nadzor?

»Ta pristop skupnega nadzora je namenjen izkoriščanju intrinzičnih zmogljivosti vmesnika možgani-stroj in robotskega sistema ter ustvarjanje okolja 'najboljše iz obeh svetov', kjer lahko uporabnik prilagodi vedenje pametne proteze,” je dejal dr. Francesco Tenore.

Tako kot sistem avtomatiziranega letenja tudi to sodelovanje omogoča človeku, da "pilotira" robota tako, da se osredotoča samo na stvari, ki so najpomembnejše – v tem primeru na to, kako velik je treba odrezati vsak grižljaj torte –, medtem ko bolj vsakdanje operacije prepušča pol- avtonomni robot.

Upanje je, da lahko ti "nevrorobotski sistemi" - prava miselna mešanica med nevronskimi signali možganov in pametnimi algoritmi robota - "izboljšajo neodvisnost in funkcionalnost uporabnika," je dejala ekipa.

Double Trouble

Možgani pošiljajo električne signale našim mišicam za nadzor gibanja in prilagajajo ta navodila na podlagi povratnih informacij, ki jih prejmejo – na primer tista, ki kodirajo pritisk ali položaj okončine v prostoru. Poškodbe hrbtenjače ali druge bolezni, ki poškodujejo to signalno pot, prekinejo nadzor možganov nad mišicami, kar povzroči paralizo.

ITM v bistvu gradi most čez poškodovani živčni sistem in omogoča pretok živčnih ukazov – pa naj gre za delovanje zdravih udov ali pritrjene proteze. Od obnavljanja pisave in govora do zaznavanja stimulacije in nadzora robotskih okončin so indeksi telesne mase tlakovali pot k obnavljanju življenj ljudi.

Vendar je tehnologijo pestila zaskrbljujoča težava: dvojni nadzor. Doslej je bil uspeh pri BMI v veliki meri omejen na premikanje ene same okončine – telesa ali kako drugače. Toda v vsakdanjem življenju potrebujemo obe roki za najpreprostejša opravila – spregledana supermoč, ki jo znanstveniki imenujejo »bimanualni gibi«.

Leta 2013 je pionir BMI dr. Miguel Nicolelis z univerze Duke predstavil prvi dokaz da bimanualni nadzor z BMI ni nemogoč. Pri dveh opicah, ki so jim bile implantirane elektrodne mikromreže, so bili nevronski signali iz približno 500 nevronov zadostni, da so opicam pomagali nadzorovati dve virtualni roki z uporabo samo svojih umov za rešitev računalniške naloge za (dobesedno) sočno nagrado. Čeprav obetaven prvi korak, takratni strokovnjaki spraševal ali bi postavitev lahko delovala pri bolj zapletenih človeških dejavnostih.

Roka pomoči

Nova študija je imela drugačen pristop: sodelovalni skupni nadzor. Ideja je preprosta. Če je uporaba nevronskih signalov za krmiljenje obeh robotskih rok preveč zapletena samo za možganske vsadke, zakaj ne bi dovolili pametni robotiki, da razbremeni del obdelave?

V praktičnem smislu so roboti najprej vnaprej programirani za več preprostih gibov, medtem ko človeku pustijo prostor za nadzor nad določenimi elementi glede na njihove želje. To je kot vožnja s kolesom v tandemu robota in človeka: stroj poganja pedala z različnimi hitrostmi na podlagi njegovih algoritemskih navodil, medtem ko moški nadzoruje krmilo in zavore.

Za vzpostavitev sistema je ekipa najprej usposobila algoritem za dekodiranje uma prostovoljca. 49-letni moški je približno 30 let pred testiranjem utrpel poškodbo hrbtenjače. Še vedno je imel minimalno gibanje v rami in komolcu in je lahko iztegnil zapestje. Vendar pa so njegovi možgani že dolgo izgubili nadzor nad njegovimi prsti, kar ga je oropalo vsake fine motorike.

Ekipa je najprej vsadila šest mikromrež elektrod v različne dele njegove skorje. Na levi strani njegovih možganov - ki nadzira njegovo dominantno stran, desno stran - so v motorično in senzorično regijo vstavili dve nizi. Ustrezne desne regije možganov - ki nadzorujejo njegovo nedominantno roko - so prejele vsak po en niz.

Ekipa je nato moškemu naročila, naj po svojih najboljših močeh izvede vrsto gibov rok. Vsaka poteza – upogibanje levega ali desnega zapestja, odpiranje ali stiskanje roke – je bila preslikana v smer gibanja. Na primer, upogibanje desnega zapestja ob iztegu levega (in obratno) je ustrezalo gibanju v vodoravni smeri; obe roki odprti ali stisnite kode za navpično gibanje.

Ves čas je ekipa zbirala nevronske signale, ki kodirajo vsako gibanje roke. Podatki so bili uporabljeni za usposabljanje algoritma za dekodiranje predvidene geste in napajanje zunanjega para robotskih rok scifi, s približno 85-odstotnim uspehom.

Naj poje torto

Tudi robotske roke so bile deležne nekaj predusposabljanja. S pomočjo simulacij je ekipa rokam najprej dala idejo o tem, kje bo torta na krožniku, kje bo krožnik postavljen na mizo in približno kako daleč bo torta od udeleženčevih ust. Prav tako so natančno prilagodili hitrost in obseg gibanja robotskih rok – navsezadnje si nihče ne želi videti ogromne robotske roke, ki se drži s koničastimi vilicami, kako leti proti vašemu obrazu z visečim, pokvarjenim kosom torte.

Pri tej nastavitvi lahko udeleženec delno nadzoruje položaj in orientacijo rok z do dvema stopnjama svobode na vsaki strani – na primer, omogoča mu premikanje katere koli roke levo-desno, naprej-nazaj ali vrtenje levo-desno . Medtem je robot poskrbel za preostale gibalne zapletenosti.

Za dodatno pomoč pri sodelovanju je robotski glas poklical vsak korak, da bi ekipi pomagal odrezati kos torte in ga prinesti udeležencu do ust.

Človek je naredil prvi korak. Ko se je osredotočil na gibanje desnega zapestja, je desno robotsko roko usmeril proti torti. Robot je nato prevzel delo in samodejno premaknil konico vilic na torto. Človek se je nato lahko odločil o natančnem položaju vilic z uporabo vnaprej usposobljenih nevronskih kontrol.

Ko je bil nastavljen, je robot samodejno premaknil roko z nožem proti levi strani vilic. Moški je znova naredil prilagoditve, da je torto razrezal na želeno velikost, preden je robot samodejno razrezal torto in mu jo prinesel k ust.

"Uživanje peciva ni bilo obvezno, vendar se je udeleženec odločil za to, saj je bilo okusno," so povedali avtorji.

Študija je imela 37 poskusov, večina pa je bila kalibracija. Na splošno je moški uporabil svoj um, da je pojedel sedem grižljajev tort, vse "razumne velikosti" in ne da bi katerikoli padel.

Zagotovo ni sistem, ki bo kmalu prišel v vaš dom. Nastavitev, ki temelji na ogromnem paru robotskih rok, ki jih je razvila DARPA, zahteva obsežno vnaprej programirano znanje za robota, kar pomeni, da lahko v danem trenutku dovoli samo eno nalogo. Zaenkrat je študija bolj raziskovalni dokaz koncepta o tem, kako združiti nevronske signale z avtonomijo robota za nadaljnjo razširitev zmogljivosti BMI.

Ampak kot protetika postanejo vedno pametnejši in cenovno dostopnejši, ekipa gleda naprej.

»Končni cilj je nastavljiva avtonomija, ki izkorišča vse signale BMI, ki so jim na voljo

njihova največja učinkovitost, ki človeku omogoča nadzor nad nekaj DOF [stopinjami svobode], ki najbolj neposredno vplivajo na kvalitativno izvedbo naloge, medtem ko robot poskrbi za ostalo,« je povedala ekipa. Prihodnje študije bodo raziskale – in premaknile – meje teh združitev človeka in robota.

Kreditno slike: Laboratorij za uporabno fiziko Johnsa Hopkinsa

• Coinsmart. Najboljša evropska borza bitcoinov in kriptovalut.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. PROST DOSTOP.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Brezplačen preizkus.
• Vir: https://singularityhub.com/2022/07/05/a-paralyzed-man-used-his-mind-to-control-two-robotic-arms-to-eat-cake/