- Jaunās ar mākslīgo intelektu darbināmas bioniskās rokas apvieno tuvuma un spiediena sensorus ar neironu tīkliem, lai autonomi pielāgotu stāju un satvēriena spēku.
- Kopīga cilvēka un mašīnas vadība samazina lietotāja kognitīvo slodzi un uzlabo precizitāti delikātos ikdienas uzdevumos.
- Tiek izstrādāti hibrīda, modulāras un spēļu tehnoloģijas, kā arī neironu saskarnes, lai protēzes vadību un sajūtu tuvinātu reālas rokas vadībai un sajūtai.
Bioniskās rokas ar mākslīgo intelektu sper milzīgu soli uz priekšu, salīdzinot ar tradicionālajām protēzēm: vairs nav runa tikai par pirkstu mehānisku kustināšanu, bet gan par kaut kā ļoti līdzīga cilvēka rokas dabiskajai veiklībai atgūšanu ar mazāku garīgo piepūli un lielāku pārliecību ikdienas dzīvē.
Šīs jaunās paaudzes protēžu patiesi revolucionārais aspekts ir tas, ka tās apvieno progresīvus sensorus, mākslīgā intelekta modeļus , stingras un mīkstas robotizētas struktūras un kopīgas cilvēka un mašīnas vadības sistēmas, lai roka "domātu" daļu kustības, kamēr lietotājs turpina izlemt, ko viņš vēlas darīt jebkurā brīdī.
No pirmajām protēzēm līdz inteliģentām bioniskām rokām
Zaudētas ekstremitātes aizstāšanas idejai ir sena vēsture : roku un plaukstu protēzes pastāvēja jau senatnē, piemēram, slavenā "Kapuas roka", kas datēta ar aptuveni 300. gadu p.m.ē. un izgatavota no dzelzs, bronzas un koka. Tiek uzskatīts, ka tā piederējusi romiešu karavīram, kurš to izmantoja, lai turētu savu vairogu pēc tam, kad bija zaudējis daļu rokas.
Gadsimtiem ilgi protēzes bija tikai estētiskas ierīces — vienkāršas veidnes, kas atdarināja ekstremitātes formu, bet nepiedāvāja nekādu reālu funkcionalitāti. To mērķis būtībā bija kosmētisks — "noslēpt" ekstremitātes neesamību, nenodrošinot nekādu noderīgu kustību.
Līdz ar medicīnas un mehānikas sasniegumiem 19. un 20. gadsimtā parādījās pirmās artikulētās protēzes, kas, pateicoties vienkāršiem mehānismiem, spēja atveidot dažas pamatkustības. Vēlāk parādījās "robotizētas" jeb "bioniskas" protēzes ar motoriem, dažāda veida satvērējiem un zināmu muskuļu vai elektriskās vadības pakāpi.
Pat neskatoties uz to, vismodernākajām komerciāli pieejamajām bioniskajām rokām joprojām ir būtisks ierobežojums: to vadība joprojām ir sarežģīta, neintuitīva un garīgi nogurdinoša. Uzdevumi, ko cilvēks ar veselām rokām veic gandrīz nedomājot — paņemt krūzi, turēt plastmasas krūzi, satvert plānu papīra lapu — rada milzīgu izaicinājumu daudziem protēžu lietotājiem.
Kognitīvā piepūle ir tik liela, ka gandrīz puse lietotāju galu galā pamet savu bionisko roku, minot lietošanas grūtības, nedabisku kontroli un pastāvīgu garīgu slodzi. Galvenā problēma ir tā, ka lielākā daļa šo ierīču precīzi neatveido taustes sajūtu vai automātisko koordināciju, ko smadzenes veic neapzināti.
Jūtas Universitātes pieeja: kopīga cilvēka un mašīnas vadība
Jūtas Universitātes Neirorobotikas laboratorijas komanda , kuru vada tādi pētnieki kā Māršals Trauts un Džeikobs A. Džordžs, ir izstrādājusi koplietojamu vadības sistēmu, kas pilnībā maina ainavu. Viņu priekšlikums, kas publicēts žurnālā Nature Communications, ir balstīts uz komerciāli pieejamu protēzi (piemēram, TASKA Hand), kas aprīkota ar sensoriem un speciāli apmācītu mākslīgo intelektu.
Šī darba galvenais elements ir nepārtraukta sadarbība starp cilvēku un protēzi : lietotājs norāda darbības vispārējo nolūku (satvert, atbrīvot, pietuvināt, turēt…), savukārt mākslīgā intelekta modelis ir atbildīgs par pirkstu pozīcijas un satvēriena spēka autonomu pielāgošanu ar tādu smalkumu, ko ir ļoti grūti panākt tikai ar tiešu cilvēka vadību.
Lai to panāktu, zinātnieki bioniskās rokas pirkstu galiem ir pievienojuši tuvuma un spiediena sensorus . Šie optiskie sensori pat spēj "redzēt" objektu pirms tam pieskaršanās, novērtēt tā attālumu un noteikt sīkas kontakta un spiediena izmaiņas, tiklīdz sākas satvēriens.
Visa šī informācija tiek ievadīta sistēmā, kas apmācīta ar tūkstošiem satvēriena pozīciju. Mākslīgā intelekta modelis "iemācās", kura pirkstu izpletuma un spēka kombinācija ir vispiemērotākā katram objekta veidam, lai, kad roka tuvojas krūzei, olai vai papīra lapai, tā automātiski pielāgotu pirkstus optimālajai pozīcijai.
Vienlaikus protēze saņem cilvēka signālus no ķermeņa , piemēram, apakšdelma muskuļu vai ādas elektrisko aktivitāti, kas norāda uz paredzēto kustību. Sistēma reāllaikā apvieno lietotāja signālus un mākslīgā intelekta lēmumus, lai ģenerētu hibrīda vadību: mašīna nekontrolē visu, un cilvēkam nav jākontrolē katrs pirksts mikrokontrollei.
Smalki pieskāriena un tuvuma sensori: ceļā uz protēžu "sesto maņu"
Viens no šīs mākslīgā intelekta darbinātās bioniskās rokas galvenajiem sasniegumiem ir tās mākslīgie pirkstu gali , kas paredzēti, lai atdarinātu smalku cilvēka pieskārienu. Tie ne tikai mēra spiedienu, kas tiek izdarīts uz objekta virsmas, bet arī integrē optiskos tuvuma sensorus, kas spēj noteikt objektus pirms fiziska kontakta.
Pateicoties šiem sensoriem, pirksti var uztvert pat praktiski bezsvara vates tamponu, kad tas uz tiem nokrīt, kas ir neiedomājami ar daudzām pašreizējām komerciālajām protēzēm. Tas ļauj novērtēt objekta masu, tilpumu un trauslumu un tādējādi pielāgot satvēriena spēku ar īpaši precīzu precizitāti.
Katram pirkstam ir savs tuvuma sensors, kas ļauj tam "redzēt" sev priekšā , kas nozīmē, ka visi pirksti darbojas paralēli, lai panāktu stabilu satvērienu. Lietotājam nav jādomā: "Tagad es nedaudz ciešāk savelku rādītājpirkstu, tagad es atslābinu īkšķi", mākslīgais intelekts aprēķina precīzu pozīciju, kas nepieciešama visai rokai, lai noturētu objektu, to nesaspiežot vai nenometot.
Tuvuma un spiediena dati nepārtraukti tiek padoti neironu tīklā , kas reāllaikā pielāgo pirkstu kustības. Ja objekts sāk slīdēt, sensori to konstatē, un sistēma nedaudz palielina spiedienu; ja tā pamana, ka objekts deformējas (piemēram, plastmasas krūze), tā samazina spēku, lai to nesalauztu.
Šī sensoriskā integrācija padara bionisko roku par daudz autonomāku sistēmu satvēriena regulēšanā, atbrīvojot lietotāja smadzenes no ievērojamas daļas pastāvīgas uzraudzības uzdevuma, kas iepriekš bija jāveic apzināti.
Kognitīvā slodze: kāpēc bioniskās rokas tik ļoti nogurdina smadzenes
Ikdienā rokas kustināšana notiek gandrīz automātiski : mēs apzināti neaprēķinām katra pirksta pozīciju vai pielikto spēku. Smadzenes paļaujas uz iekšējiem modeļiem un taustes sajūtu, lai pielāgotu mūsu satvērienu, un to dara milzīgā ātrumā un neapzināti.
Parastajās robotizētajās protēzēs šī automatizācija praktiski izzūd . Lietotājam ir rūpīgi jāpārdomā, kādu žestu veikt, cik lielu spēku pielietot, kad atvērt un kad aizvērt, un bieži vien viņš to dara gandrīz bez jebkādas taustes informācijas, kas viņu vadītu.
Rezultātā rodas milzīga garīga slodze : neintuitīva vadība, nepieciešamība atkārtoti praktizēt vienkāršas kustības un sajūta, ka jebkura koncentrēšanās spējas zuduma rezultātā var saplīst stikls vai uz grīdas nokrist kāds priekšmets. Šis scenārijs izskaidro, kāpēc tik daudzi lietotāji galu galā pamet protēzi, neskatoties uz tās progresīvo tehnoloģiju.
Jūtas komandas piedāvātā sistēma cenšas mazināt tieši šo kognitīvo slodzi . Deleģējot satvēriena precizēšanu mākslīgajam intelektam un izmantojot sensorus, kas imitē pieskārienu, lietotājs var koncentrēties uz kustības kopējo nolūku (satveršana, turēšana, atlaišana), nevis kontrolēt katru sīku detaļu.
Pētījuma autori uzsver, ka nevēlas, lai cilvēks "cīnītos" ar ierīci par savas rokas kontroli. Mērķis ir panākt, lai mākslīgais intelekts darbotos kā lietotāja dabiskās kontroles pastiprinātājs, nevis kā autopilots, kas pārņem vadību bez atļaujas. Tādā veidā tiek respektētas pacienta vēlmes, vienlaikus atbrīvojot viņu no daļas garīgās slodzes.
Reālās pasaules testa rezultāti: lielāka precizitāte, mazāka piepūle
Inteliģentā bioniskā rokas sistēma ir testēta ar dažādiem lietotāju tipiem : deviņiem cilvēkiem bez amputācijas (lai validētu vadību un saskarni) un četriem cilvēkiem ar amputāciju un ekstremitāšu zaudējumu starp elkoni un plaukstas locītavu, t. i., ar apakšdelma protēzēm.
Šie testi ietvēra ļoti bieži veicamus, bet delikātus uzdevumus , piemēram, olas turēšanu, to nesaplēšot, papīra lapas pacelšanu, to nesaplēšot, dzeršanu no krūzes, mazu priekšmetu apstrādi vai krūzes celšanu aiz roktura. Šie ir piemēri, kuros satvēriena spēkam un stājai jābūt ļoti precīzai.
Dalībnieki, izmantojot mākslīgā intelekta darbinātu sistēmu, uzrādīja skaidru satvēriena drošības un precizitātes uzlabojumu, salīdzinot ar tradicionālajām, pilnībā cilvēka vadītām vai pilnībā automatizētām vadības metodēm. Turklāt pētnieki uzdevumu laikā novēroja ievērojamu uztvertās kognitīvās slodzes samazināšanos.
Visspilgtākais aspekts ir tas, ka daudzas no šīm kustībām tika veiktas bez iepriekšējas intensīvas apmācības . Citiem vārdiem sakot, sensoru un neironu tīkla kombinācija ļāva lietotājam jau no paša sākuma dabiskāk izmantot dažādus satvēriena stilus, neiegaumējot sarežģītus muskuļu aktivācijas modeļus.
Amputētiem pacientiem tika novērots arī uzlabojums tā sauktajā "smalko motoriku kontrolē " – spējā veikt precīzas un koordinētas kustības ar rokas un pirkstu mazajiem muskuļiem, kas ir būtiski tādām darbībām kā rakstīšana, trauku apstrāde, apģērbu aizdarīšana vai trauslu priekšmetu apstrāde.
Vai bioniskai rokai ar mākslīgo intelektu ir "savs prāts"?
Jūtas Universitātes preses relīzē tika runāts par "savas prāta " piešķiršanu rokai — pārsteidzošu izteicienu, kas izraisījis filozofiskas un mediju debates. Doma nav tāda, ka protēze ir apzinīga, bet gan tāda, ka tai ir pietiekama autonomija, lai pati pārvaldītu daļu savu kustību.
Praksē bioniskā roka saņem informāciju no vides, apstrādā to un rīkojas, lietotājam neuzraugot katru mikroregulējumu. No malas var šķist, ka tā "pieņem lēmumus" pati, taču patiesībā tā izpilda lietotāja vispārīgās komandas ļoti sarežģītā veidā, paļaujoties uz to, ko tā ir iemācījusies neironu tīkla apmācības laikā.
Daži kognitīvās neirozinātnes eksperti, piemēram, Tamāra Makina , ir pierādījuši, ka attiecības starp smadzenēm un protēzēm ir sarežģītākas nekā iepriekš uzskatīts. Viņu neiroattēlveidošanas pētījumi liecina, ka protēzes smadzenēs netiek attēlotas tieši kā rokas vai instrumenti, bet gan ģenerē savu neironu parakstu, sava veida "jaunu kategoriju".
Citi pētnieki, piemēram, Dani Kloda Kembridžas Universitātē , pēta protēzes, kas ne tikai aizstāj, bet arī paplašina spējas — piemēram, pievienojot otru īkšķi —, izmantojot smadzeņu plastiskumu, lai integrētu papildu elementus ķermeņa shēmā, bez nepieciešamības 100% atdarināt sākotnējo anatomiju.
Tas viss rada interesantus jautājumus par to, kā mēs piedēvējam apziņu un rīcībspēju mašīnām un ierīcēm. Pašlaik mums nav iespēju pierādīt, ka mākslīgais intelekts ir apzinīgs, un protēžu gadījumā mēs vairāk runājam par ļoti sarežģītām sensorimotoriskām vadības sistēmām nekā par "prātu" stingrā nozīmē.
Citi inovāciju virzieni: hibrīdas rokas, modularitāte un gamifikācija
Jūtas viedā roka nav vienīgais spēcīgais sasniegums šajā jomā . Citas pētnieku komandas, piemēram, Džona Hopkinsa universitātes komanda, strādā pie hibrīdām robotizētām rokām, kas apvieno stingras un mīkstas struktūras, lai labāk atdarinātu cilvēka anatomiju un manipulētu gan ar smalkiem, gan smagiem priekšmetiem.
Šīm hibrīdajām rokām parasti ir iekšēja 3D drukāta struktūra, kas izgatavota no gumijai līdzīgiem polimēriem un elastīgiem savienojumiem. Tas ļauj protēzei labāk pielāgoties neregulārām formām, dažādām tekstūrām un mainīgam spiedienam, nodrošinot daudz daudzpusīgāku satvērienu.
Tajos ir iestrādāti arī vairāki skāriensensoru slāņi, kas iedvesmoti no cilvēka ādas un spēj noteikt kontaktu, spiediena izmaiņas un slīdēšanu. Šī "elektroniskā āda" ļauj rokai sajust, ja objekts sāk slīdēt, un automātiski palielināt pielikto spēku, lai novērstu tā krišanu.
To visu papildina vadības sistēmas, kuru pamatā ir muskuļu signāli , kur apakšdelma muskuļi sūta komandas mākslīgajiem pirkstiem, un mākslīgais intelekts un mašīnmācīšanās algoritmi šos signālus pārvērš dabiskās kustībās. Protēzes "smadzenes" interpretē, vai kaut kas ir ciets vai mīksts, karsts vai auksts, stabils vai tūlīt paslīdēs.
Testos ar ikdienas priekšmetiem — pildītiem dzīvniekiem, sūkļiem, pudelēm, čiekuriem vai plastmasas krūzītēm — dažām no šīm rokām ir izdevies gandrīz 100% veiksmīgi manipulēt ar tām, tās nedeformējot un nesalaužot. Viens īpaši ilustratīvs eksperiments ietvēra plānas, ar ūdeni pilnas plastmasas krūzītes pacelšanu, izmantojot tikai trīs pirkstus, un spiedienu pielāgoja ar ievērojamu precizitāti.
Tikmēr tādi uzņēmumi kā Open Bionics ir koncentrējušies uz lietotājam orientētiem risinājumiem , piemēram, Hero Arm līniju, kas piedāvā pilnībā bezvadu, ūdensizturīgas un pielāgojamas bioniskās rokas, kas paredzētas, lai daudz ērtāk integrētos bērnu, pusaudžu un pieaugušo ikdienas dzīvē.
Šīs protēzes kontrolē bezvadu EMG elektrodi (MyoPods), kas tiek novietoti uz atlikušās ekstremitātes vai apakšdelma, un tie nosaka muskuļu aktivitāti un pārvērš to bionisko pirkstu kustībās. Tā kā tās ir bezvadu, tās ļauj roku fiziski atdalīt no ķermeņa un atkal savienot, un pat piestiprināt sporta aksesuārus, izmantojot to pašu standarta stiprināšanas sistēmu.
Svarīga ir arī emocionālā un motivācijas komponente . Daži jaunuzņēmumi ir izstrādājuši modulāras un relatīvi pieejamas rokas, kas galvenokārt paredzētas bērniem un aug līdzi viņiem: detaļas var aizstāt ar lielākām, mainoties bērna ķermenim, tādējādi samazinot pilnīgu protēžu nomaiņas izmaksas ik pēc dažiem gadiem.
Lai protēzes lietošanas apguve nebūtu tik grūta , ir izveidotas virtuālās realitātes vides, piemēram, VREHAB, kur bērni vingrina kustības ar savu bionisko roku, spēlējot tādas spēles kā "kāpšana pa ēkām kā supervaronim". Uzlabojoties viņu spējām, viņi krāj punktus, un terapeiti var attālināti uzraudzīt viņu progresu.
Pielāgojamā estētika arī palīdz lietotājam justies kā protēzes īpašniekam : pateicoties 3D drukāšanai, ir pieejami dizaini, kas iedvesmoti no supervaroņiem, futūristiskiem stiliem vai apdares, kas atbilst jauniešu modei. Tas pārveido bionisko roku par vairāk nekā tikai medicīnas ierīci, padarot to arī par identitātes elementu.
Ceļā uz domu kontroli un pieskārienu "atpakaļ" smadzenēm
Raugoties tuvākajā nākotnē, vadošās pētnieku komandas plāno apvienot šīs viedās rokas ar implantētām neironu saskarnēm, lai protēzi varētu vadīt tieši ar smadzeņu darbību, nevis tikai paļauties uz virsmas muskuļu signāliem.
Mērķis ir panākt, lai bioniskā roka reaģētu gandrīz tikpat ātri un dabiski kā bioloģiskā roka, vēl vairāk samazinot kognitīvo slodzi. Ja lietotājs domā par rokas aizvēršanu, protēzei vajadzētu uzsākt kustību, neprasot viņam apzināti saraut muskuli vai izpildīt apgūtus modeļus.
Vienlaikus notiek darbs, lai lietotāja nervu sistēmā atgrieztu pieskārienu: protēzes spiediena un tuvuma sensori varētu sūtīt kodētus signālus, kas pārvēršas smadzenēs uztvertās kontakta, tekstūras vai spēka sajūtās, tuvojoties patiesai sensoriskajai atgriezeniskajai saitei.
Pētnieki, piemēram, Džeikobs A. Džordžs, uzsver, ka šī pētījumu līnija ir daļa no plašākas vīzijas , lai uzlabotu cilvēku ar amputācijām dzīves kvalitāti, integrējot inteliģentas protēzes, neironu saskarnes un progresīvas sensorās sistēmas saskaņotā ekosistēmā.
Lai gan vēl ir jāveic vairāki klīniskie pētījumi , pašreizējie rezultāti liecina, ka jau tagad ir iespējams, ka tik vienkārši uzdevumi kā dzeršana no plastmasas krūzes vairs nav nogurdinošs izaicinājums un pakāpeniski šķiet tikpat dabiski kā pirms amputācijas.
Viss norāda uz bioniskām rokām ar mākslīgo intelektu, kas pārstāj būt zinātniskā fantastika un kļūst par praktiskiem rīkiem, kas samazina garīgo piepūli, atjauno smalko motoriku un paplašina mijiedarbības iespējas ar vidi, sākot no drošas krūzes vai olas turēšanas līdz pat cilvēka apskaušanai, nebaidoties viņu sāpināt.
