Bioničke ruke s umjetnom inteligencijom: kako rade i što mogu učiniti

Informatec Digital » Sredstva » Bioničke ruke s umjetnom inteligencijom: kako rade i što mogu učiniti

Bioničke ruke s umjetnom inteligencijom čine ogroman skok naprijed u usporedbi s tradicionalnim protezama: više se ne radi samo o mehaničkom pomicanju prstiju, već o vraćanju nečega vrlo sličnog prirodnoj spretnosti ljudske ruke, uz manje mentalnog napora i više samopouzdanja u svakodnevnom životu.

Ono što je uistinu revolucionarno kod ove nove generacije proteza jest to što kombiniraju napredne senzore, AI modele , krute i mekane robotske strukture te zajedničke sustave upravljanja čovjek-stroj, tako da ruka "razmišlja" o dijelu pokreta dok korisnik nastavlja odlučivati ​​što želi učiniti u bilo kojem trenutku.

Od prvih proteza do inteligentnih bioničkih ruku

Ideja zamjene izgubljenog uda ima dugu povijest : protetske ruke i šake postojale su u antici, poput poznate "Ruke iz Capue", koja datira iz oko 300. godine prije Krista, izrađene od željeza, bronce i drveta. Vjeruje se da je pripadala rimskom vojniku koji ju je koristio za držanje štita nakon što je izgubio dio ruke.

Stoljećima su proteze bile tek estetski uređaji , jednostavni kalupi koji su oponašali oblik uda, ali nisu nudili nikakvu stvarnu funkcionalnost. Njihova je svrha bila u biti kozmetička, "prikriti" odsutnost uda bez omogućavanja ikakvog korisnog pokreta.

S medicinskim i mehaničkim napretkom 19. i 20. stoljeća pojavile su se prve zglobne proteze, sposobne reproducirati neke osnovne pokrete zahvaljujući jednostavnim mehanizmima. Kasnije su se pojavile "robotske" ili "bioničke" proteze, s motorima, raznim vrstama hvataljki i određenim stupnjem mišićne ili električne kontrole.

Unatoč tome, najnaprednije komercijalno dostupne bioničke ruke i dalje pate od ključnog ograničenja: njihova kontrola ostaje složena, neintuitivna i mentalno iscrpljujuća. Zadaci koje osoba s netaknutim rukama obavlja gotovo bez razmišljanja - podizanje šalice, držanje plastične šalice, hvatanje tankog komada papira - predstavljaju ogroman izazov za mnoge korisnike proteza.

Kognitivni napor je toliko visok da gotovo polovica korisnika na kraju odustane od svoje bioničke ruke, navodeći teškoće korištenja, neprirodne kontrole i stalni mentalni napor. Glavni problem je što većina ovih uređaja ne replicira točno osjet dodira ili automatsku koordinaciju koju mozak nesvjesno izvodi.

Pristup Sveučilišta u Utahu: zajednička kontrola čovjeka i stroja

Tim iz Laboratorija za neurorobotiku Sveučilišta u Utahu , predvođen istraživačima poput Marshalla Trouta i Jacoba A. Georgea, razvio je zajednički sustav upravljanja koji potpuno mijenja krajolik. Njihov prijedlog, objavljen u časopisu Nature Communications, temelji se na komercijalno dostupnoj protetskoj ruci (poput TASKA Hand) opremljenoj senzorima i posebno obučenom umjetnom inteligencijom.

Ključna točka ovog rada je kontinuirana suradnja između osobe i proteze : korisnik pokazuje opću namjeru radnje (zgrabiti, otpustiti, približiti, držati...), dok je model umjetne inteligencije zadužen za autonomno podešavanje položaja prstiju i snage stiska s finoćom koju je vrlo teško postići samo izravnom ljudskom kontrolom.

Kako bi to postigli, znanstvenici su na vrhove prstiju bioničke ruke dodali senzore blizine i pritiska . Ovi optički senzori čak mogu "vidjeti" predmet prije nego što ga dodirnu, procijeniti njegovu udaljenost i otkriti sitne varijacije u kontaktu i pritisku nakon što hvat započne.

Sve te informacije ubacuju se u sustav obučen s tisućama položaja hvata. Model umjetne inteligencije "uči" koja je kombinacija širenja prstiju i sile najprikladnija za svaku vrstu predmeta, tako da kada se ruka približi šalici, jajetu ili listu papira, automatski postavlja prste u optimalni položaj.

Istovremeno, proteza prima ljudske signale iz tijela , poput električne aktivnosti mišića podlaktice ili kože, koji ukazuju na namjeravani pokret. Sustav spaja korisnikove signale i odluke umjetne inteligencije u stvarnom vremenu kako bi generirao hibridnu kontrolu: stroj ne kontrolira sve, a osoba ne mora mikroupravljati svakim prstom.

Senzori finog dodira i blizine: prema protetskom "šestom čulu"

Jedan od glavnih napredaka ove bioničke ruke s umjetnom inteligencijom leži u njezinim umjetnim vrhovima prstiju , dizajniranim da oponašaju fini ljudski dodir. Oni ne samo da mjere pritisak koji se vrši na površinu predmeta, već i integriraju optičke senzore blizine sposobne za detekciju predmeta prije fizičkog kontakta.

Zahvaljujući tim senzorima, prsti mogu detektirati čak i gotovo bestežinski pamuk dok pada na njih, nešto nezamislivo s mnogim trenutnim komercijalnim protezama. To omogućuje procjenu mase, volumena i osjetljivosti predmeta te stoga podešavanje snage stiska s ultrapreciznom preciznošću.

Svaki prst ima vlastiti senzor blizine koji mu omogućuje da "vidi" ispred sebe , što znači da svi prsti rade paralelno kako bi postigli stabilan hvat. Umjesto da korisnik mora razmišljati: "Sad ću malo više zatvoriti kažiprst, a sada ću opustiti palac", umjetna inteligencija izračunava točan položaj potreban cijeloj ruci kako bi se predmet držao bez da se zgnječi ili ispusti.

Podaci o blizini i tlaku kontinuirano se šalju u neuronsku mrežu koja u stvarnom vremenu prilagođava pokrete prsta. Ako objekt počne kliziti, senzori to detektiraju i sustav lagano povećava pritisak; ako primijeti da se objekt deformira (na primjer, plastična čaša), smanjuje silu kako bi se izbjeglo njegovo lomljenje.

Ova senzorna integracija čini bioničku ruku mnogo autonomnijim sustavom kada je u pitanju regulacija stiska, oslobađajući korisnikov mozak značajnog dijela zadatka stalnog praćenja koji je prije morao obavljati svjesno.

Kognitivno opterećenje: zašto bioničke ruke toliko umaraju mozak

U svakodnevnom životu, pomicanje ruke je gotovo automatsko : ne izračunavamo svjesno položaj svakog prsta ili silu koju primjenjujemo. Mozak se oslanja na unutarnje modele i osjet dodira kako bi prilagodio naš hvat, i to čini ogromnom brzinom i nesvjesno.

U konvencionalnim robotskim protezama, ova automatizacija praktički nestaje . Korisnik mora pažljivo razmisliti o tome koju gestu napraviti, koliko sile primijeniti, kada otvoriti, a kada zatvoriti, i često to čini gotovo bez ikakvih taktilnih informacija koje bi ga vodile.

Rezultat je ogroman mentalni napor : neintuitivne kontrole, potreba za ponovljenim vježbanjem jednostavnih gesti i osjećaj da bi svaki pad koncentracije mogao rezultirati razbijenom čašom ili predmetom na podu. Ovaj scenarij objašnjava zašto toliko korisnika na kraju odustane od proteze unatoč njezinoj naprednoj tehnologiji.

Sustav koji je predložio tim iz Utaha nastoji ublažiti upravo to kognitivno opterećenje . Delegiranjem finog podešavanja hvata umjetnoj inteligenciji i korištenjem senzora koji simuliraju dodir, korisnik se može usredotočiti na cjelokupnu namjeru pokreta (hvatanje, držanje, otpuštanje) umjesto da kontrolira svaki mikrodetalj.

Autori studije naglašavaju da ne žele da se osoba "bori" sa strojem za kontrolu nad svojom rukom. Cilj je da umjetna inteligencija djeluje kao pojačanje korisnikove prirodne kontrole, a ne kao autopilot koji preuzima kontrolu bez dopuštenja. Na taj se način poštuju želje pacijenta, a istovremeno ga se oslobađa dijela mentalnog tereta.

Rezultati testova u stvarnom svijetu: veća točnost, manje truda

Inteligentni bionički sustav ruke testiran je s različitim tipovima korisnika : devet osoba bez amputacije (za validaciju upravljanja i sučelja) i četiri osobe s amputiranim udom između lakta i zapešća, tj. s protezama za podlakticu.

Ovi testovi uključivali su vrlo uobičajene, ali delikatne zadatke , poput držanja jajeta bez razbijanja, podizanja lista papira bez kidanja, pijenja iz šalice, rukovanja malim predmetima ili podizanja šalice za dršku. To su primjeri gdje snaga stiska i držanje moraju biti vrlo precizni.

Sudionici su pokazali jasno poboljšanje u sigurnosti i točnosti hvata pri korištenju sustava pokretanog umjetnom inteligencijom u usporedbi s konvencionalnim, isključivo ljudskim ili isključivo automatiziranim metodama upravljanja. Nadalje, istraživači su izmjerili značajno smanjenje percipiranog kognitivnog opterećenja tijekom zadataka.

Najupečatljiviji aspekt je da su mnogi od ovih pokreta izvedeni bez prethodnog intenzivnog treninga . Drugim riječima, kombinacija senzora i neuronske mreže omogućila je korisniku da prirodnije koristi različite stilove hvata od vrlo rane faze, bez potrebe za pamćenjem kompliciranih obrazaca aktivacije mišića.

Kod amputiranih pacijenata uočeno je i poboljšanje u onome što se naziva "finom motoričkom kontrolom ", odnosno sposobnosti izvođenja preciznih i koordiniranih pokreta malim mišićima ruke i prstiju, bitnih za aktivnosti poput pisanja, rukovanja priborom, zakopčavanja odjeće ili rukovanja lomljivim predmetima.

Ima li bionička ruka s umjetnom inteligencijom "vlastiti um"?

U priopćenju za javnost Sveučilišta u Utahu govorilo se o davanju ruci "vlastitog uma ", upečatljivom izrazu koji je izazvao filozofsku i medijsku raspravu. Ideja nije da je proteza svjesna, već da ima dovoljno autonomije da samostalno upravlja dijelom svog pokreta.

U praksi, bionička ruka prima informacije iz okoline, obrađuje ih i djeluje bez potrebe da korisnik prati svaku mikro-prilagodbu. Izvana se može činiti da "sama odlučuje", ali ono što zapravo radi jest izvršavanje općenitih korisnikovih naredbi na vrlo sofisticiran način, oslanjajući se na ono što je naučila tijekom treninga neuronske mreže.

Neki stručnjaci za kognitivnu neuroznanost, poput Tamar Makin , pokazali su da je odnos između mozga i proteza složeniji nego što se prije mislilo. Njihove studije neuroimaginga sugeriraju da proteze u mozgu nisu predstavljene točno kao ruke ili alati, već generiraju vlastiti neuronski potpis, svojevrsnu "novu kategoriju".

Drugi istraživači, poput Dani Clode sa Sveučilišta u Cambridgeu , istražuju proteze koje ne samo da zamjenjuju već i proširuju mogućnosti - na primjer, dodavanjem drugog palca - koristeći plastičnost mozga za integraciju dodatnih elemenata u shemu tijela bez potrebe za 100% oponašanjem izvorne anatomije.

Sve to postavlja zanimljiva pitanja o tome kako pripisujemo svijest i djelovanje strojevima i uređajima. Trenutno nemamo načina dokazati da je umjetna inteligencija svjesna, a u slučaju proteza više govorimo o visoko sofisticiranim senzomotornim kontrolnim sustavima nego o „umovima“ u strogom smislu.

Druge inovacijske linije: hibridne ruke, modularnost i gamifikacija

Utahova pametna ruka nije jedini snažan napredak u ovom području . Drugi istraživački timovi, poput onog na Sveučilištu Johns Hopkins, rade na hibridnim robotskim rukama koje kombiniraju krute i mekane strukture kako bi bolje oponašale ljudsku anatomiju i manipulirale i osjetljivim i teškim predmetima.

Ove hibridne ruke obično uključuju unutarnju 3D printanu strukturu izrađenu od polimera sličnih gumi i fleksibilnih zglobova. To omogućuje protezi da se bolje prilagodi nepravilnim oblicima, različitim teksturama i različitim pritiscima, pružajući mnogo svestraniji hvat.

Također uključuju nekoliko slojeva senzora dodira inspiriranih ljudskom kožom , sposobnih detektirati kontakt, promjene pritiska i klizanje. Ova „elektronička koža“ omogućuje ruci da osjeti ako predmet počne kliziti i automatski poveća primijenjenu silu kako bi spriječila njegov pad.

Sve to nadopunjuju kontrolni sustavi temeljeni na mišićnim signalima , gdje mišići podlaktice šalju naredbe umjetnim prstima, a umjetna inteligencija i algoritmi strojnog učenja pretvaraju te signale u prirodne pokrete. "Mozak" proteze interpretira je li nešto tvrdo ili mekano, vruće ili hladno, stabilno ili će skliznuti.

U testovima s predmetima iz svakodnevne upotrebe - plišanim životinjama, spužvama, bocama, češerima ili plastičnim čašama - neke od ovih ruku postigle su gotovo 100%-tnu stopu uspješnosti u manipuliranju njima bez deformiranja ili lomljenja. Jedan posebno ilustrativan eksperiment uključivao je podizanje tanke plastične čaše pune vode pomoću samo tri prsta, podešavajući pritisak s izvanrednom preciznošću.

U međuvremenu, tvrtke poput Open Bionicsa usredotočile su se na rješenja orijentirana na korisnika , poput linije Hero Arm, koja nudi potpuno bežične, vodootporne i prilagodljive bioničke ruke, dizajnirane za puno ugodniju integraciju u svakodnevni život djece, tinejdžera i odraslih.

Ove proteze kontroliraju bežične EMG elektrode (MyoPods) postavljene na ostatak uda ili podlakticu, koje detektiraju mišićnu aktivnost i pretvaraju je u pokrete bioničkih prstiju. Budući da su bežične, omogućuju fizičko odvajanje ruke od tijela i ponovno spajanje, pa čak i pričvršćivanje sportske opreme pomoću istog standardnog sustava sidrišta.

Emocionalna i motivacijska komponenta također je ključna . Neki startupi razvili su modularne i relativno pristupačne ruke, dizajnirane prvenstveno za djecu, koje rastu s njima: dijelovi se mogu zamijeniti većima kako se djetetovo tijelo mijenja, smanjujući troškove zamjene potpunih proteza svakih nekoliko godina.

Kako bi učenje korištenja proteze bilo manje naporno , stvorena su okruženja virtualne stvarnosti poput VREHAB-a, gdje djeca vježbaju pokrete svojom bioničkom rukom kroz igre poput "penjanja po zgradama poput superheroja". Kako napreduju, zarađuju bodove, a terapeuti mogu pratiti njihov napredak na daljinu.

Prilagodljiva estetika također pomaže korisniku da osjeti vlasništvo nad protezom : zahvaljujući 3D ispisu dostupni su dizajni inspirirani superherojima, futuristički stilovi ili završne obrade koje odgovaraju modi za mlade. To bioničku ruku pretvara u više od samo medicinskog uređaja, čineći je i elementom identiteta.

Prema kontroli misli i "povratku" u mozak

Gledajući u blisku budućnost, vodeći istraživački timovi planiraju kombinirati ove pametne ruke s implantiranim neuronskim sučeljima, tako da se proteza može izravno kontrolirati aktivnošću mozga, umjesto da se oslanja isključivo na signale površinskih mišića.

Cilj je da bionička ruka reagira gotovo jednako brzo i prirodno kao biološka ruka, dodatno smanjujući kognitivno opterećenje. Ako korisnik pomisli na zatvaranje ruke, proteza bi trebala pokrenuti pokret bez potrebe da namjerno steže mišić ili izvršava naučene obrasce.

Istovremeno, u tijeku je rad na vraćanju dodira u korisnikov živčani sustav: senzori tlaka i blizine proteze mogli bi slati kodirane signale koji se prevode u osjete kontakta, teksture ili sile percipirane u mozgu, približavajući se pravoj senzornoj povratnoj informaciji.

Istraživači poput Jacoba A. Georgea naglašavaju da je ovaj smjer istraživanja dio šire vizije poboljšanja kvalitete života ljudi s amputacijama integriranjem inteligentnih proteza, neuronskih sučelja i naprednih senzornih sustava u koherentan ekosustav.

Iako predstoje još godine razvoja i kliničkih ispitivanja , trenutni rezultati pokazuju da je već moguće da jednostavni zadaci poput pijenja iz plastične čaše prestanu biti iscrpljujući izazov i postupno postanu prirodni kao što su bili prije amputacije.

Sve upućuje na to da bioničke ruke s umjetnom inteligencijom prestaju biti znanstvena fantastika i postaju praktični alati koji smanjuju mentalni napor, vraćaju finu motoriku i proširuju mogućnosti interakcije s okolinom, od sigurnog držanja šalice ili jajeta do grljenja nekoga bez straha da će ga povrijediti.