Một người đàn ông bị liệt đã dùng trí óc của mình để điều khiển hai cánh tay robot để ăn bánh

Người đàn ông ngồi yên trên ghế, chăm chú nhìn miếng bánh trên bàn trước mặt. Dây điện nhô ra từ các điện cực cấy vào não anh ta. Bao quanh anh ta là hai cánh tay robot khổng lồ, mỗi cánh tay lớn hơn toàn bộ phần trên cơ thể của anh ta. Một người cầm dao, người kia cầm nĩa.

“Cắt và ăn thức ăn. Đưa tay phải về phía trước để bắt đầu, ”một giọng người máy ra lệnh.

Người đàn ông tập trung vào việc di chuyển cánh tay phải bị liệt một phần của mình về phía trước. Cổ tay của anh hầu như không co giật, nhưng bàn tay phải của rô-bốt thuận buồm xuôi gió về phía trước, đặt đầu nĩa gần chiếc bánh. Một cử động nhẹ khác của tay trái anh ta đưa con dao về phía trước.

Một vài mệnh lệnh sau đó, người đàn ông vui vẻ mở miệng và ngấu nghiến món ăn vừa miệng, được cắt theo sở thích cá nhân với sự trợ giúp từ các avatar robot của anh ta. Đã gần 30 năm kể từ khi anh ấy có thể tự kiếm ăn.

Hầu hết chúng ta đều không nghĩ đến việc sử dụng đồng thời hai cánh tay của mình — ăn bằng dao và nĩa, mở chai, ôm người thân, nằm ườn trên ghế dài sử dụng bộ điều khiển trò chơi điện tử. Sự phối hợp đến với bộ não của chúng ta một cách tự nhiên.

Tuy nhiên, việc tái tạo lại chuyển động dễ dàng này giữa hai chi đã cản trở giao diện não-máy (BMI) các chuyên gia trong nhiều năm. Một rào cản chính là mức độ phức tạp tuyệt đối: theo một ước tính, việc sử dụng chân tay robot cho các công việc sinh hoạt hàng ngày có thể yêu cầu 34 bậc tự do, thách thức ngay cả những thiết lập BMI phức tạp nhất.

Một nghiên cứu mới, dẫn đầu bởi Tiến sĩ Francesco V. Tenore tại Đại học Johns Hopkins, đã tìm ra một giải pháp tuyệt vời. Robot ngày càng phát triển tự chủ nhờ máy học. Thay vì coi các chi của rô bốt như một cỗ máy đơn thuần, tại sao không khai thác chương trình phức tạp của chúng để con người và rô bốt có thể chia sẻ các điều khiển?

“Phương pháp điều khiển được chia sẻ này nhằm mục đích tận dụng các khả năng nội tại của giao diện máy não và hệ thống robot, tạo ra một môi trường 'tốt nhất của cả hai thế giới', nơi người dùng có thể cá nhân hóa hành vi của một bộ phận giả thông minh," nói Tiến sĩ Francesco Tenore.

Giống như một hệ thống bay tự động, sự hợp tác này cho phép con người “điều khiển” robot bằng cách chỉ tập trung vào những thứ quan trọng nhất — trong trường hợp này là cắt từng miếng bánh lớn cỡ nào — trong khi vẫn để lại nhiều thao tác đơn giản hơn cho người bán- robot tự động.

Nhóm nghiên cứu cho biết, hy vọng rằng những “hệ thống robot thần kinh” này - một sự kết hợp tâm trí thực sự giữa các tín hiệu thần kinh của não và các thuật toán thông minh của robot - có thể “cải thiện tính độc lập và chức năng của người dùng”.

Đôi rắc rối

Bộ não gửi tín hiệu điện đến các cơ của chúng ta để kiểm soát chuyển động và điều chỉnh những chỉ dẫn đó dựa trên phản hồi mà nó nhận được — ví dụ, những mã hóa cho áp lực hoặc vị trí của một chi trong không gian. Chấn thương tủy sống hoặc các bệnh khác làm tổn thương đường truyền tín hiệu này sẽ cắt đứt sự chỉ huy của não đối với các cơ, dẫn đến tê liệt.

BMI về cơ bản xây dựng một cầu nối qua hệ thống thần kinh bị thương, cho phép các lệnh thần kinh truyền qua — cho dù đó là vận hành các chi khỏe mạnh hay các bộ phận giả gắn liền. Từ việc khôi phục chữ viết tay và giọng nói đến nhận thức kích thích và điều khiển các chi của robot, BMI đã mở đường cho việc khôi phục cuộc sống của mọi người.

Tuy nhiên, công nghệ này đã bị cản trở bởi một trục trặc rắc rối: kiểm soát kép. Cho đến nay, thành công trong BMI phần lớn chỉ giới hạn ở việc di chuyển một chi - cơ thể hoặc cách khác. Tuy nhiên, trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta cần cả hai cánh tay cho những công việc đơn giản nhất — một siêu năng lực bị bỏ qua mà các nhà khoa học gọi là “chuyển động hai người”.

Trở lại năm 2013, Tiến sĩ Miguel Nicolelis tiên phong về BMI tại Đại học Duke đã trình bày bằng chứng đầu tiên rằng kiểm soát bằng hai tay với BMI không phải là không thể. Ở hai con khỉ được cấy vi mô điện cực, tín hiệu thần kinh từ khoảng 500 tế bào thần kinh là đủ để giúp những con khỉ điều khiển hai cánh tay ảo chỉ bằng trí óc của chúng để giải quyết một nhiệm vụ trên máy tính để có được một phần thưởng hấp dẫn (theo nghĩa đen). Trong khi là bước đầu tiên đầy hứa hẹn, các chuyên gia lúc đó tự hỏi liệu thiết lập có thể hoạt động với các hoạt động phức tạp hơn của con người hay không.

Giúp tay

Nghiên cứu mới đã thực hiện một cách tiếp cận khác: kiểm soát chia sẻ hợp tác. Ý tưởng là đơn giản. Nếu việc sử dụng tín hiệu thần kinh để điều khiển cả hai cánh tay robot là quá phức tạp đối với việc cấy ghép não một mình, tại sao không cho phép robot thông minh thực hiện một số tải xử lý?

Về mặt thực tế, các robot đầu tiên được lập trình trước cho một số chuyển động đơn giản, trong khi vẫn để lại chỗ cho con người điều khiển các chi tiết cụ thể dựa trên sở thích của họ. Nó giống như hoạt động đạp xe song song của robot và con người: cỗ máy đạp ở các tốc độ khác nhau dựa trên các hướng dẫn thuật toán của nó trong khi người đàn ông điều khiển các thanh tay cầm và phanh.

Để thiết lập hệ thống, đầu tiên nhóm đã đào tạo một thuật toán để giải mã tâm trí của tình nguyện viên. Người đàn ông 49 tuổi bị chấn thương tủy sống khoảng 30 năm trước khi xét nghiệm. Anh vẫn cử động tối thiểu ở vai và khuỷu tay và có thể mở rộng cổ tay. Tuy nhiên, não của anh ta đã mất kiểm soát từ lâu đối với các ngón tay, cướp đi mọi khả năng kiểm soát vận động của anh ta.

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã cấy sáu vi điện cực vào các phần khác nhau của vỏ não của anh ta. Ở phía bên trái của não anh ta - nơi điều khiển phía thuận của anh ta, bên tay phải - họ đưa hai mảng tương ứng vào các vùng vận động và cảm giác. Các vùng não phải tương ứng - điều khiển tay không thuận của anh ấy - nhận mỗi vùng một mảng.

Nhóm nghiên cứu tiếp theo hướng dẫn người đàn ông thực hiện một loạt các động tác tay với khả năng tốt nhất của anh ta. Mỗi cử chỉ — gập cổ tay trái hoặc phải, mở hoặc chụm bàn tay — được ánh xạ tới một hướng chuyển động. Ví dụ, gập cổ tay phải trong khi duỗi sang trái (và ngược lại) tương ứng với chuyển động theo hướng ngang; cả hai tay mở hoặc chụm mã để di chuyển theo chiều dọc.

Đồng thời, nhóm nghiên cứu đã thu thập các tín hiệu thần kinh mã hóa từng chuyển động của bàn tay. Dữ liệu được sử dụng để đào tạo một thuật toán giải mã cử chỉ dự định và cung cấp năng lượng cho cặp cánh tay robot khoa học viễn tưởng bên ngoài, với thành công khoảng 85%.

Hãy để anh ấy ăn bánh

Các cánh tay robot cũng đã được đào tạo trước. Bằng cách sử dụng mô phỏng, nhóm nghiên cứu đầu tiên đưa cho các cánh tay ý tưởng về vị trí chiếc bánh sẽ nằm trên đĩa, nơi đĩa sẽ được đặt trên bàn và khoảng cách chiếc bánh sẽ cách miệng người tham gia. Họ cũng tinh chỉnh tốc độ và phạm vi chuyển động của các cánh tay robot — xét cho cùng, không ai muốn nhìn thấy một cánh tay robot khổng lồ nắm chặt một chiếc nĩa nhọn bay vào mặt bạn với một miếng bánh lủng lẳng, lủng lẳng.

Trong thiết lập này, người tham gia có thể kiểm soát một phần vị trí và hướng của các cánh tay, với tối đa hai bậc tự do ở mỗi bên — ví dụ: cho phép anh ta di chuyển bất kỳ cánh tay nào sang trái-phải, ra sau hoặc cuộn trái-phải . Trong khi đó, rô bốt đảm nhận phần còn lại của các chuyển động phức tạp.

Để hỗ trợ thêm cho sự hợp tác, một giọng nói của robot đã gọi ra từng bước để giúp nhóm cắt một miếng bánh và đưa lên miệng người tham gia.

Người đàn ông đã có động thái đầu tiên. Bằng cách tập trung vào chuyển động cổ tay phải của mình, anh ấy đã định vị bàn tay robot bên phải về phía chiếc bánh. Sau đó, robot sẽ tiếp quản, tự động di chuyển đầu nĩa lên bánh. Sau đó, người đàn ông có thể quyết định vị trí chính xác của cái nĩa bằng cách sử dụng các điều khiển thần kinh được đào tạo trước.

Sau khi đặt, robot sẽ tự động di chuyển tay cầm dao về phía bên trái của nĩa. Người đàn ông lại tiến hành điều chỉnh để cắt chiếc bánh theo kích thước mong muốn, trước khi robot tự động cắt bánh và đưa lên miệng.

Các tác giả cho biết: “Việc tiêu thụ bánh ngọt là tùy chọn, nhưng người tham gia đã chọn làm như vậy vì nó rất ngon,” các tác giả cho biết.

Nghiên cứu có 37 thử nghiệm, với phần lớn là hiệu chuẩn. Nhìn chung, người đàn ông đã sử dụng trí óc của mình để ăn bảy miếng bánh, tất cả đều "có kích thước hợp lý" và không làm rơi chiếc nào.

Nó chắc chắn không phải là một hệ thống đến nhà bạn sớm. Dựa trên một cặp cánh tay robot khổng lồ do DARPA phát triển, việc thiết lập đòi hỏi kiến ​​thức sâu rộng được lập trình sẵn cho robot, có nghĩa là nó chỉ có thể cho phép một nhiệm vụ duy nhất tại bất kỳ thời điểm nào. Hiện tại, nghiên cứu này mang tính chất khám phá bằng chứng về cách kết hợp các tín hiệu thần kinh với khả năng tự chủ của robot để mở rộng hơn nữa khả năng của BMI.

Nhưng như chân tay giả ngày càng thông minh hơn và giá cả phải chăng hơn, nhóm đang nhìn về phía trước.

“Mục tiêu cuối cùng là khả năng tự chủ có thể điều chỉnh nhằm thúc đẩy bất kỳ tín hiệu BMI nào có sẵn để

hiệu quả tối đa của chúng, cho phép con người kiểm soát một số DOF [bậc tự do] tác động trực tiếp nhất đến hiệu suất chất lượng của một nhiệm vụ trong khi robot đảm nhận phần còn lại, ”nhóm nghiên cứu cho biết. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ khám phá — và thúc đẩy — ranh giới của những tư duy người-rô-bốt này.

Ảnh: Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Johns Hopkins

• Coinsmart. Sàn giao dịch Bitcoin và tiền điện tử tốt nhất Châu Âu.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. TRUY CẬP MIỄN PHÍ.
• CryptoHawk. Radar Altcoin. Dùng thử miễn phí.
• Nguồn: https://singularityhub.com/2022/07/05/a-paralyzed-man-used-his-mind-to-control-two-robotic-arms-to-eat-cake/