- הידיים הביוניות החדשות המופעלות על ידי בינה מלאכותית משלבות חיישני קרבה ולחץ עם רשתות עצביות כדי להתאים באופן אוטונומי את היציבה ואת עוצמת האחיזה.
- שליטה משותפת בין אדם למכונה מפחיתה את העומס הקוגניטיבי של המשתמש ומשפרת את הדיוק במשימות יומיומיות עדינות.
- עיצובים היברידיים, מודולריים וגיימיפיים, כמו גם ממשקים עצביים, מפותחים כדי לקרב את השליטה והתחושה של התותבת לאלה של יד אמיתית.
ידיים ביוניות עם בינה מלאכותית עושות קפיצת מדרגה ענקית בהשוואה לתותבות מסורתיות: זה כבר לא רק עניין של הזזת אצבעות באופן מכני, אלא של שחזור של משהו דומה מאוד לזריזות הטבעית של יד אנושית, עם פחות מאמץ מנטלי ויותר ביטחון בחיי היומיום.
מה שבאמת מהפכני בדור החדש הזה של פרוטזות הוא שהן משלבות חיישנים מתקדמים, מודלים של בינה מלאכותית , מבנים רובוטיים קשיחים ורכים, ומערכות בקרה משותפות של אדם-מכונה, כך שהיד "חושבת" על חלק מהתנועה בעוד שהמשתמש ממשיך להחליט מה הוא רוצה לעשות בכל רגע נתון.
מהפרוטזות הראשונות ועד לידיים ביוניות חכמות
לרעיון של החלפת גפה אבודה יש היסטוריה ארוכה : ידיים וזרועות תותבות היו קיימות בעת העתיקה, כמו "יד קפואה" המפורסמת, המתוארכת לסביבות שנת 300 לפני הספירה, ועשויה מברזל, ברונזה ועץ. ההערכה היא שהיא הייתה שייכת לחייל רומאי שהשתמש בה כדי להחזיק את מגינו לאחר שאיבד חלק מזרועו.
במשך מאות שנים, תותבות היו מעט יותר ממכשירים אסתטיים , תבניות פשוטות שחיקו את צורת הגפה אך לא הציעו פונקציונליות של ממש. מטרתן הייתה בעיקרה קוסמטית, "לכסות" על היעדר הגפה מבלי לספק כל תנועה מועילה.
עם ההתקדמות הרפואית והמכנית של המאות ה-19 וה-20 הגיעו התותבות המפרקיות הראשונות, המסוגלות לשחזר תנועות בסיסיות הודות למנגנונים פשוטים. מאוחר יותר הופיעו תותבות "רובוטיות" או "ביוניות", עם מנועים, סוגים שונים של אחיזות, ומידה מסוימת של שליטה שרירית או חשמלית.
אף על פי כן, הידיים הביוניות המתקדמות ביותר הזמינות מסחרית עדיין סובלות ממגבלה משמעותית: השליטה בהן נותרת מורכבת, לא אינטואיטיבית ומתישה מבחינה מנטלית. משימות שאדם עם ידיים שלמות מבצע כמעט בלי לחשוב - הרמת ספל, החזקת כוס פלסטיק, אחיזת פיסת נייר דקה - מציבות אתגר עצום עבור משתמשי תותבות רבים.
המאמץ הקוגניטיבי כה גבוה עד שכמעט מחצית מהמשתמשים נוטשים את ידם הביונית, תוך ציון קושי בשימוש, בקרות לא טבעיות ומאמץ נפשי מתמיד. הבעיה העיקרית היא שרוב המכשירים הללו אינם משכפלים במדויק את חוש המישוש או את התיאום האוטומטי שהמוח מבצע באופן לא מודע.
גישת אוניברסיטת יוטה: שליטה משותפת בין אדם למכונה
צוות ממעבדת הנוירו-רובוטיקה באוניברסיטת יוטה , בראשות חוקרים כמו מרשל טראוט וג'ייקוב א. ג'ורג', פיתח מערכת בקרה משותפת שמשנה לחלוטין את הנוף. הצעתם, שפורסמה בכתב העת Nature Communications, מבוססת על יד תותבת זמינה מסחרית (כגון יד TASKA) המצוידת בחיישנים ובינה מלאכותית שאומנה במיוחד.
הנקודה המרכזית בעבודה זו היא שיתוף הפעולה המתמשך בין האדם לתותבת : המשתמש מציין את הכוונה הכללית של הפעולה (לתפוס, לשחרר, לקרב, להחזיק...), בעוד שמודל בינה מלאכותית אחראי על כוונון אוטונומי של מיקום האצבעות ועוצמת האחיזה בדקדקנות שקשה מאוד להשיג בשליטה אנושית ישירה בלבד.
כדי להשיג זאת, מדענים הוסיפו חיישני קרבה ולחץ לקצות אצבעות היד הביונית. חיישנים אופטיים אלה מסוגלים אפילו "לראות" את האובייקט לפני נגיעה בו, להעריך את המרחק שלו ולזהות שינויים זעירים במגע ובלחץ ברגע שהאחיזה מתחילה.
כל המידע הזה מוזן למערכת שאומנה עם אלפי מצבי אחיזה. מודל הבינה המלאכותית "לומד" איזה שילוב של פריסת אצבעות וכוח הוא המתאים ביותר לכל סוג של אובייקט, כך שכאשר היד מתקרבת לכוס, ביצה או דף נייר, היא מתאימה אוטומטית את האצבעות למיקום האופטימלי.
במקביל, התותבת מקבלת אותות אנושיים מהגוף , כגון הפעילות החשמלית של שרירי האמה או העור, המצביעים על התנועה המיועדת. המערכת משלבת את אותות המשתמש ואת החלטות הבינה המלאכותית בזמן אמת כדי לייצר שליטה היברידית: המכונה לא שולטת בכל דבר, והאדם לא צריך לנהל כל אצבע באופן מייקר.
חיישני מגע עדינים וקרבה: לקראת "חוש שישי" תותב
אחת ההתקדמות העיקרית של יד ביונית זו, המופעלת על ידי בינה מלאכותית, טמונה בקצות האצבעות המלאכותיות שלה , שנועדו לחקות מגע אנושי עדין. הן לא רק מודדות את הלחץ המופעל על פני השטח של עצם, אלא גם משלבות חיישני קרבה אופטיים המסוגלים לזהות עצמים לפני מגע פיזי.
הודות לחיישנים אלה, האצבעות יכולות לזהות אפילו כדור צמר גפן כמעט חסר משקל כשהוא נופל עליהן, דבר שלא ניתן להעלות על הדעת עם פרוטזות מסחריות רבות כיום. זה מאפשר להעריך את המסה, הנפח והעדינות של האובייקט, ולכן, להתאים את עוצמת האחיזה בדיוק רב.
לכל אצבע יש חיישן קרבה משלה המאפשר לה "לראות" מולה , כלומר כל האצבעות פועלות במקביל כדי להשיג אחיזה יציבה. במקום שהמשתמש יצטרך לחשוב "עכשיו אני סוגר את האצבע המורה קצת יותר, עכשיו אני מרפה את האגודל", הבינה המלאכותית מחשבת את המיקום המדויק הדרוש לכל היד כדי להחזיק את החפץ מבלי למחוץ אותו או להפיל אותו.
נתוני קרבה ולחץ מוזנים באופן רציף לרשת הנוירונים , אשר מתאימה את תנועות האצבעות בזמן אמת. אם האובייקט מתחיל להחליק, החיישנים מזהים זאת והמערכת מגבירה מעט את הלחץ; אם היא מבחינה שהאובייקט מתעוות (לדוגמה, כוס פלסטיק), היא מפחיתה את הכוח כדי למנוע שבירה שלו.
אינטגרציה חושית זו הופכת את היד הביונית למערכת אוטונומית הרבה יותר בכל הנוגע לוויסות האחיזה, ומשחררת את מוחו של המשתמש מחלק משמעותי ממשימת הניטור המתמיד שבעבר היה צריך לעשות באופן מודע.
עומס קוגניטיבי: מדוע ידיים ביוניות מעייפות את המוח כל כך
בחיי היומיום שלנו, תנועת היד שלנו היא כמעט אוטומטית : אנחנו לא מחשבים באופן מודע את מיקום כל אצבע או את הכוח שאנחנו מפעילים. המוח מסתמך על מודלים פנימיים ועל חוש המישוש כדי להתאים את האחיזה שלנו, והוא עושה זאת במהירות עצומה ובאופן לא מודע.
בתותבות רובוטיות קונבנציונליות, אוטומציה זו כמעט נעלמת . המשתמש צריך לחשוב היטב על איזו תנועה לעשות, כמה כוח להפעיל, מתי לפתוח ומתי לסגור, ולעתים קרובות עושה זאת כמעט ללא מידע מישושי שידריך אותו.
התוצאה היא עומס נפשי עצום : שליטה לא אינטואיטיבית, צורך לתרגל שוב ושוב מחוות פשוטות, ותחושה שכל חוסר ריכוז עלול לגרום לשבירה של זכוכית או לחפץ על הרצפה. תרחיש זה מסביר מדוע משתמשים כה רבים נוטשים בסופו של דבר את התותבת למרות הטכנולוגיה המתקדמת שלה.
המערכת המוצעת על ידי צוות יוטה שואפת להקל בדיוק על העומס הקוגניטיבי הזה . על ידי העברת כוונון האחיזה לבינה מלאכותית ומינוף חיישנים המדמים מגע, המשתמש יכול להתמקד בכוונה הכוללת של התנועה (אחיזה, החזקה, שחרור) במקום לשלוט בכל פרט קטן.
מחברי המחקר מדגישים כי אינם רוצים שהאדם "ילחם" עם המכונה על השליטה בידו. המטרה היא שהבינה המלאכותית תפעל כחיזוק של השליטה הטבעית של המשתמש, ולא כטייס אוטומטי שמשתלט ללא רשות. בדרך זו, רצון המטופל מכובד תוך הקלה מחלק מהנטל הנפשי.
תוצאות בדיקה מהעולם האמיתי: דיוק רב יותר, פחות מאמץ
מערכת הידיים הביונית החכמה נבדקה עם סוגים שונים של משתמשים : תשעה אנשים ללא קטיעת גפיים (כדי לאמת את הבקרה והממשק) וארבעה אנשים קטועי גפיים עם אובדן גפה בין המרפק לשורש כף היד, כלומר, עם תותבות אמה.
מבחנים אלה כללו משימות נפוצות אך עדינות מאוד , כגון החזקת ביצה מבלי לשבור אותה, הרמת דף נייר מבלי לקרוע אותו, שתייה מכוס, מניפולציה של חפצים קטנים או הרמת כוס בידית שלה. אלו הן דוגמאות בהן כוח האחיזה והיציבה חייבים להיות מדויקים מאוד.
המשתתפים הראו שיפור ברור בבטיחות ובדיוק האחיזה בעת שימוש במערכת המופעלת על ידי בינה מלאכותית בהשוואה לשיטות בקרה קונבנציונליות, אנושיות לחלוטין או אוטומטיות לחלוטין. יתר על כן, החוקרים מדדו הפחתה משמעותית בעומס הקוגניטיבי הנתפס במהלך המשימות.
ההיבט הבולט ביותר הוא שרבות מתנועות אלו בוצעו ללא אימון אינטנסיבי קודם . במילים אחרות, השילוב של חיישנים ורשת נוירונים אפשר למשתמש להשתמש בסגנונות אחיזה שונים באופן טבעי יותר משלב מוקדם מאוד, מבלי שיצטרך לשנן דפוסי הפעלת שרירים מורכבים.
אצל מטופלים קטועי גפיים, נצפה שיפור גם במה שמכונה "שליטה מוטורית עדינה ", כלומר ביכולת לבצע תנועות מדויקות ומתואמות עם השרירים הקטנים של היד והאצבעות, החיוניים לפעילויות כגון כתיבה, מניפולציה של כלי מטבח, קשירת בגדים או טיפול בחפצים שבירים.
האם ליד ביונית עם בינה מלאכותית יש "מוח משלה"?
בהודעה לעיתונות של אוניברסיטת יוטה עצמה דיברו על מתן "מוח משלה " ליד, ביטוי בולט שעורר ויכוח פילוסופי ותקשורתי. הרעיון אינו שהתותבת מודעת, אלא שיש לה מספיק אוטונומיה כדי לנהל חלק מתנועתה בכוחות עצמה.
בפועל, היד הביונית מקבלת מידע מהסביבה, מעבדת אותו ופועלת מבלי שהמשתמש יצטרך לנטר כל התאמה מיקרוסקופית. מבחוץ, היא אולי נראית כ"מחליטה" בעצמה, אך מה שהיא עושה בפועל הוא לבצע את הפקודות הכלליות של המשתמש בצורה מתוחכמת ביותר, בהסתמך על מה שלמדה במהלך אימון הרשת הנוירונים.
כמה מומחים בתחום מדעי המוח הקוגניטיביים, כמו תמר מקין , הראו כי הקשר בין המוח לפרוטות מורכב יותר ממה שחשבו בעבר. מחקרים בתחום הדמיית המוח שלהם מצביעים על כך שפרוטזות אינן מיוצגות במוח בדיוק כידיים או כלים, אלא מייצרות חתימה עצבית משלהן, מעין "קטגוריה חדשה".
חוקרים אחרים, כמו דני קלוד מאוניברסיטת קיימברידג' , חוקרים תותבות שלא רק מחליפות אלא גם מרחיבות יכולות - למשל, על ידי הוספת אגודל שני - תוך ניצול הפלסטיות של המוח כדי לשלב אלמנטים נוספים בסכמת הגוף מבלי שיהיה צורך לחקות ב-100% את האנטומיה המקורית.
כל זה מעלה שאלות מעניינות לגבי האופן שבו אנו מייחסים תודעה וסוכנות למכונות ולמכשירים. נכון לעכשיו, אין לנו דרך להוכיח שבינה מלאכותית היא מודעת, ובמקרה של תותבות, אנו מדברים יותר על מערכות בקרה סנסומוטוריות מתוחכמות ביותר מאשר על "מוחות" במובן הצר.
קווי חדשנות נוספים: ידיים היברידיות, מודולריות וגיימיפיקציה
היד החכמה של יוטה אינה ההתקדמות היחידה בתחום זה . צוותי מחקר אחרים, כמו זה שבאוניברסיטת ג'ונס הופקינס, עובדים על ידיים רובוטיות היברידיות המשלבות מבנים נוקשים ורכים כדי לחקות טוב יותר את האנטומיה האנושית ולתפעל חפצים עדינים וכבדים כאחד.
ידיים היברידיות אלה משלבות בדרך כלל מבנה פנימי מודפס תלת-ממדי העשוי מפולימרים דמויי גומי ומפרקים גמישים. זה מאפשר לתותבת להסתגל טוב יותר לצורות לא סדירות, מרקמים שונים ולחצים משתנים, ומספק אחיזה רב-תכליתית הרבה יותר.
הם משלבים גם מספר שכבות של חיישני מגע בהשראת עור אנושי , המסוגלים לזהות מגע, שינויים בלחץ והחלקה. "עור אלקטרוני" זה מאפשר ליד לחוש אם חפץ מתחיל להחליק ולהגביר אוטומטית את הכוח המופעל כדי למנוע את נפילתו.
כל זה משלים מערכות בקרה המבוססות על אותות שרירים , שבהן שרירי האמה שולחים פקודות לאצבעות המלאכותיות, ואלגוריתמים של בינה מלאכותית ולמידת מכונה מתרגמים את האותות הללו לתנועות טבעיות. "המוח" של התותבת מפרש האם משהו קשה או רך, חם או קר, יציב או עומד להחליק.
בניסויים עם חפצים יומיומיים - בובות פרווה, ספוגים, בקבוקים, אצטרובלים או כוסות פלסטיק - חלק מהידיים הללו השיגו שיעורי הצלחה של כמעט 100% במניפולציה שלהן מבלי לעוות או לשבור אותן. ניסוי ממחיש במיוחד כלל הרמת כוס פלסטיק דקה מלאה במים באמצעות שלוש אצבעות בלבד, תוך התאמת הלחץ בדיוק יוצא דופן.
בינתיים, חברות כמו Open Bionics התמקדו בפתרונות מוכווני משתמש , כמו סדרת Hero Arm, המציעה ידיים ביוניות אלחוטיות לחלוטין, עמידות במים וניתנות להתאמה אישית, שנועדו להשתלב בחיי היומיום של ילדים, בני נוער ומבוגרים בצורה נוחה הרבה יותר.
פרוטזות אלו נשלטות על ידי אלקטרודות EMG אלחוטיות (MyoPods) הממוקמות על הגפה הנותרת או האמה, אשר מזהות פעילות שרירים ומתרגמות אותה לתנועות של האצבעות הביוניות. בהיותן אלחוטיות, הן מאפשרות ניתוק פיזי של היד מהגוף וחיבור מחדש, ואף חיבור אביזרי ספורט באמצעות אותה מערכת עיגון סטנדרטית.
גם המרכיב הרגשי והמוטיבציוני הוא מפתח . כמה סטארט-אפים פיתחו ידיים מודולריות ובמחיר סביר יחסית, שתוכננו בעיקר לילדים, וגדלות איתן: ניתן להחליף את החלקים בגדולים יותר ככל שגופו של הילד משתנה, מה שמפחית את עלות החלפת תותבות שלמות כל כמה שנים.
כדי להפוך את לימוד השימוש בתותבת לפחות מטלה , נוצרו סביבות מציאות מדומה כמו VREHAB, שבהן ילדים מתרגלים תנועות עם היד הביונית שלהם באמצעות משחקים כמו "טיפוס על מבנים כמו גיבור-על". ככל שהם משתפרים, הם צוברים נקודות, ומטפלים יכולים לעקוב אחר התקדמותם מרחוק.
האסתטיקה הניתנת להתאמה אישית גם עוזרת למשתמש להרגיש בעלות על התותבת : הודות להדפסה תלת-ממדית, זמינים עיצובים בהשראת גיבורי-על, סגנונות עתידניים או גימורים התואמים לאופנת הנוער. זה הופך את היד הביונית ליותר מסתם מכשיר רפואי, מה שהופך אותה גם לאלמנט של זהות.
לקראת שליטה במחשבה ומגע "חזרה" למוח
במבט לעתיד הקרוב, צוותי מחקר מובילים מתכננים לשלב ידיים חכמות אלו עם ממשקים עצביים מושתלים, כך שניתן יהיה לשלוט על התותבת ישירות על ידי פעילות מוחית במקום להסתמך אך ורק על אותות שרירים פני השטח.
המטרה היא שהיד הביונית תגיב כמעט באותה מהירות וטבעיות כמו יד ביולוגית, מה שמפחית עוד יותר את העומס הקוגניטיבי. אם המשתמש חושב על סגירת ידו, התותבת אמורה ליזום את התנועה מבלי לדרוש ממנו לכווץ את השריר במכוון או לבצע דפוסים נלמדים.
במקביל, מתבצעת עבודה על החזרת המגע למערכת העצבים של המשתמש: חיישני הלחץ והקרבה של התותבת יוכלו לשלוח אותות מקודדים שמתורגמים לתחושות של מגע, מרקם או כוח הנתפסים במוח, ומתקרבים למשוב חושי אמיתי.
חוקרים כמו ג'ייקוב א. ג'ורג' מדגישים כי קו מחקר זה הוא חלק מחזון רחב יותר לשיפור איכות חייהם של אנשים עם קטיעות גפיים על ידי שילוב פרוטזות חכמות, ממשקים עצביים ומערכות חישה מתקדמות למערכת אקולוגית קוהרנטית.
למרות שעדיין נותרו שנים של פיתוח וניסויים קליניים , תוצאות עדכניות מראות שכבר ניתן שמשימות פשוטות כמו שתייה מכוס פלסטיק יפסיקו להיות אתגר מתיש ובהדרגה ירגישו טבעיות כמו שהיו לפני הקטיעה.
הכל מצביע על כך שידיים ביוניות עם בינה מלאכותית מפסיקות להיות מדע בדיוני והופכות לכלים פרקטיים שמפחיתים מאמץ מנטלי, משקמים מוטוריקה עדינה ומרחיבים את אפשרויות האינטראקציה עם הסביבה, החל מאחיזה בטוחה של כוס או ביצה ועד חיבוק מישהו ללא חשש לפגוע בו.
