کنترل حرکات و حس لامسه بازوی رباتیکی توسط مغز

NATHAN COPELAND در سال ۲۰۰۴ و در ۱۸ سالگی بر اثر یک سانحه رانندگی فلج شد. او توانایی حرکت و حس لامسه قسمت اعظم بدن خود را از دست داد و تنها توانایی بسیار کمی در حرکت دادن مچ دست و انگشتان و شانه خود دارد. زمانی که در بیمارستان بستری بود برای انجام آزمایش‌های تجربی به دفتر اسناد مراجعه می‌کند و در حدود ۶ سال پیش برای همکاری در این پژوهش از او دعوت می‌شود. او رابط مغز و رایانه را برای تکان دادن دست وانگشتان رباتیک به کار گرفت. نتیجه این آزمایش کنترل یکپارچه دست و طبیعی‌تر شدن حرکات دست بود. در ادامه این نوشتار به توصیف مفصل این آزمایش می‌پردازیم. از شما دعوت می‌شود برای کسب اطلاعات بیشتر با مجله فناوری‌های توان افزا و پوشیدنی همراه باشید.

گروهی در دانشگاه Pittsburgh برای آزمایش خود به یک داوطلب نیاز داشتند تا امکان کنترل بازوی رباتیک با فکر کردن را بررسی کنند. از این نوع پژوهش که شامل کاربردهای رابط مغز و رایانه می‌شود، در طیف گسترده ای از موضوعات از قبیل توانبخشی افراد فلج، توسعه نسل جدیدی از اندام‌های مصنوعی و تبدیل افکار به متن استفاده شده است. این ایده توسط شرکت‌هایی مانند Kernel و Elon Musk‘s Neuralink رواج پیدا کرد که الکترودهای کوچک کاشته شده در مغز می‌توانند فعالیت الکتریکی را بخوانند و داده ها را روی رایانه ثبت کنند.

کنترل حرکات و حس لامسه باروی رباتیکی توسط مغز

تکان دادن اشیا با رابط مغز و رایانه و نیروی فکر

پزشکان آرایه‌های الکترودی که ابعادی به اندازه عدس داشتند را روی قشر حرکتی و قشر حسی جسمی Copeland قرار دادند. این آرایه الکتریکی الگوهای فعالیت مغز او را می‌خواند و قصد او را برای حرکت دادن مچ دست و انگشتانش نشان می‌دهد. سپس این سیگنال‌های مغزی از طریق رابط مغز و کامپیوتر (BCI)، برای کنترل یک اندام رباتیکی، ترجمه می‌شوند. Copeland پس از سه جلسه می‌توانست تنها با فکر کردن، بازوی رباتیک را وادار کند که کره‌ها را به حرکت درآورد و مکعب‌ها را نگه دارد.

اما این فقط آغاز ماجرا بود. در مطالعه‌ای که در Science منتشر شد، گروه گزارش داد که Copeland می‌تواند هر چیزی را که دست رباتیک لمس می‌کند، احساس کند و این حس را در انگشتان خود تجربه کند. در چند سال گذشته، او یاد گرفته بود که دست را با افکارش کنترل کند و بازخود آن را ببیند. اما هنگامی که پژوهشگران به او بازخورد لمسی دادند، او کاملاً شگفت زده شد. این نخستین باری است که یک BCI(رابط مغز-رایانه) برای یک اندام مصنوعی رباتیک دستورات حرکتی و لمسی را به صورت لحظه‌ای یکپارچه می‌کند. این یک گام بزرگ در جهت کاهش محدودیت‌های ناشی از فلج اندام است.

تکیه بر حس لامسه برای تکان دادن اشیا

Jennifer Collinger، مهندس زیست پزشکی در دانشگاه Pittsburgh می‌گوید: «حس لامسه برای بازیابی تحرک مهم است، زیرا برای استفاده حداکثری از اندام‌های مصنوعی مجهز به BCI، کاربر به بازخورد لمسی به صورت لحظه ای از هر دو دست نیاز دارد. کاربران اندام‌های مصنوعی موجود، به دلیل اینکه فاقد حس لامسه هستند، باید برای اطمینان از گرفتن اجسام با اندام مصنوعی خود، آن را ببینند و در صورتی که جسم متحرک، لغزنده یا خارج از دید کاربر باشد، با مشکل مواجه می‌شوند.» Collinger می‌گوید: «در زندگی روزمره، برای بسیاری از کارهایی که انجام می‌دهید، لزوماً به بینایی تکیه نمی‌کنید. وقتی با اشیا تعامل دارید، بر حس لامسه خود تکیه می‌کنید.»

مدیریت تعامل مغز و بدن با رابط مغز و رایانه

مغز دو طرفه است: اطلاعات را وارد می‌کند و در عین حال سیگنال‌هایی را به بقیه بدن ارسال می‌کند و آن را به حرکت در می‌اود. حتی حرکتی به سادگی گرفتن یک فنجان، مغز را در تعامل با ماهیچه‌های دست و اعصاب انگشتان قرار می‌دهد.

از آنجایی که مغز Copeland در تصادفش آسیب ندیده بود، همچنان می‌توانست این تعامل ورودی و خروجی را مدیریت کند. اما بیشتر پیام‌های الکتریکی اعصاب بدن او، به مغز نمی‌رسید. گروه Pittsburgh قصد داشت این مشکل را حل کند. آن‌ها بر این باور بودند که مغز یک فرد فلج می‌تواند هم بازوی رباتیکی را تحریک کند و هم توسط سیگنالهای الکتریکی آن تحریک شود و در نهایت این تحریک را به عنوان احساس لمس شدن روی دست خود تفسیر کند. چالش این بود که همه چیز را طبیعی جلوه کند. مچ دست رباتیکی باید زمانی که Copeland قصد دارد بپیچد، بپیچد. هنگامی که او قصد چنگ زدن دارد، دست باید بسته شود و یک جسم سخت را لمس کرد، Copeland باید آن را احساس کند.

نحوه کار رابط مغز و رایانه دانشگاه Pittsburgh

از چهار آرایه میکروالکترودی کاشته شده در مغز Copeland، دو آرایه سیگنال‌های حرکتی را از قشر حرکتی مغز او می‌خوانند تا به بازوی رباتیکی فرمان دهند و دو آرایه سیستم حسی او را تحریک می‌کنند. از همان ابتدا، تیم پژوهشی می‌دانست که می‌توانند از BCI برای ایجاد حس لامسه بدون نیاز به لمس واقعی، از طریق رساندن جریان الکتریکی به آن الکترودها استفاده کند.

برای ساختن این سیستم، پژوهشگران از این واقعیت که Copeland در تعداری از انگشتانش حس لامسه دارد، استفاده کردند. پژوهشگران با ثبت فعالیت مغز از تک تک الکترودها در حالی که او حرکات خاصی را تصور می‌کرد، قصد او را برای انجام حرکت را رمزگشایی کردند و وقتی جریان را به الکترودهای خاصی در سیستم حسی او ارسال میکردند، آن را احساس کرد.

هنگامی که پژوهشگران ثابت کردند Copeland می‌تواند این احساسات را تجربه کند و همچنین می‌دانستند که کدام نواحی مغز را برای ایجاد احساس در قسمتهای مختلف دست او تحریک کنند، قدم بعدی عادت دادن Copeland به کنترل بازوی رباتیکی بود. این کار در یک اتاق آموزشی که در آزمایشگاه ایجاد شده بود، به کمک قرار دادن اتصال دهنده الکترودها بر روی پوست سر او و نظارت بر سیگنال‌های مغزی هنگام بازی با اجسام، انجام گرفت.

حرکت دادن انگشتان رباتیک با BCI

انگشتان انسان فشار را حس می‌کنند و سیگنال‌های الکتریکی حاصل در امتداد آکسون‌های نخ مانند از دست به مغز می‌پیوندند. این گروه با قرار دادن حسگرها بر روی نوک انگشتان رباتیکی این توالی را ایجاد کردند. اما همیشه نوک انگشتان اشیاء را لمس نمی‌کنند، بنابراین سیگنال قابل اطمینان باید از جای دیگری می آمد: حسگر گشتاور بر پایه ارقام مکانیکی.

انگشت رباتیک را به عنوان اهرمی در نظر بگیرید که تنها انتهای آن به وسیله یک لولا به کف دست رباتیکی متصل می‌شود. انگشتان ساکن هستند مگر اینکه BCI آنها را به حرکت درآورد. نیروی چرخشی هر حرکتی در طول انگشت، از طریق لولا ثبت می‌شود. Robert Gaunt که با Collinger این پژوهش را رهبری می‌کرد، می‌گوید: «شاید حسگر مناسبی برای این کار نباشد. » اما ثابت شد که بسیار قابل اعتماد است. سیگنال‌های الکتریکی از حسگر گشتاور به BCI فلاش می‌زند و پس از آن الکترود کاشته شده در مغز انگشت Copeland را تحریک می‌کند.

بنابراین هنگامی که انگشت اشاره رباتیکی به یک بلوک برخورد می‌کرد، Copeland ضربه ملایمی را روی انگشت اشاره خود احساس می‌کرد. هنگامی که او یک بلوک سخت را گرفت، مقاومت محکمی که در مفصل رباتیکی ایجاد شد، احساس قوی‌تری به او داد. هدایت مستفیم این حس لامسه به دست Copeland، او را از تکیه کامل بر حس بینایی برای ارتباط با اجسام رها می‌کرد.

در واقع، با این اطلاعات لمسی جدید، Copeland سرعت خود را در انجام وظایف حرکتی دو برابر کرد. Gaunt می‌گوید: «ما در مورد چند صد میلی ثانیه بهبود صحبت نمی‌کنیم. ما در مورد کاری صحبت می‌کنیم که انجام آن ۲۰ ثانیه طول می‌کشد، اکنون ۱۰ ثانیه طول میکشد تا انجام شود.»

تقلید کامل از حرکات دست با رابط مغز و رایانه

Bolu Ajiboye ، مهندس عصب شناسی از دانشگاه Case Western که در این مطالعه شرکت نداشته است، می‌گوید: «در واقع تولید سیگنال‌های حسی واقعی مانند این «یک پیروزی بزرگ» است. این پژوهش نشان می‌دهد که ما می‌توانیم حداقل به تقلید کامل از حرکات طبیعی نزدیک شویم.»

او می‌گوید این عمل باید بدون هیچ تأخیر قابل‌توجهی انجام شود. مغز با تاخیری در حدود ۳۰ میلی ثانیه کار می‌کند. اما این ربات هر ۲۰ میلی ثانیه سیگنال‌ها را به BCI مخابره می‌کند. به گفته Ajiboye، این یکی از مهم‌ترین نقش‌های لامسه در این پیشرفت است، زیرا به این معنی است که کاربر می‌تواند اعمال دست رباتیکی را در زمان واقعی احساس کند. این احساس بسیار سریع‌تر از بینایی ثبت می‌شود. بینایی کندترین شکل بازخورد است. بینایی پردازشی حدود ۱۰۰ تا ۳۰۰ میلی ثانیه طول می‌کشد. تصور کنید می‌خواهید یک فنجان لیز را بگیرید. Ajiboye می‌گوید: «اگر تنها راه تشخیص لغزیدن آن از طریق بینایی بود، فنجان را رها می‌کردید. »

این بازو در مراحل اولیه طراحی قرار دارد و به دلیل محدودیت‌های موجود هنوز آماده استفاده خانگی نیست.

تیم Gaunt اکنون در حال بررسی این موضوع است که چرا احساس Copeland همیشه طبیعی به نظر نمی‌رسد و چگونه می‌توان نیروی چنگ زدن را برای اجسام ظریف یا کارهای پیچیده تر کنترل کرد. در حال حاضر، همچنان تمرکز بر روی بازوهای رباتیکی انسان نما است.


کنترل بازوهای رباتیک بر اساس واقعیت افزوده و رابط مغز و رایانه
کنترل پروتز با فناوری موسسه ملی اختلالات عصبی
AugLimb: یک اندام رباتیک جمع و جور برای کارهای روزمره


منبع: wired

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است.»

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *