Bioniske hender med kunstig intelligens: hvordan de fungerer og hva de kan gjøre

Informatec Digital » Ressurser » Bioniske hender med kunstig intelligens: hvordan de fungerer og hva de kan gjøre

Bioniske hender med kunstig intelligens tar et stort sprang fremover Når det gjelder tradisjonelle proteser: det handler ikke lenger bare om å bevege fingrene mekanisk, men om å gjenvinne noe som ligner veldig på den naturlige fingerferdigheten til en menneskehånd, med mindre mental anstrengelse og mer selvtillit i hverdagen.

Hva er virkelig revolusjonerende med denne nye generasjonen proteser De kombinerer avanserte sensorer, AI-modellerStive og myke robotstrukturer, og delte menneske-maskin-kontrollsystemer, slik at hånden «tenker» på en del av bevegelsen mens brukeren fortsetter å bestemme hva de vil gjøre i hvert øyeblikk.

Fra de første protesene til intelligente bioniske hender

Ideen om å erstatte en tapt lem har en lang historie.Selv i oldtiden fantes det proteser for armer og hender, som den berømte «Capuas hånd», som dateres tilbake til rundt 300 f.Kr., laget av jern, bronse og tre. Den antas å ha tilhørt en romersk soldat som brukte den til å holde skjoldet sitt etter å ha mistet en del av armen.

I århundrer var proteser lite mer enn estetiske elementer.Dette var enkle former som etterlignet formen på lemmet, men som ikke ga noen reell funksjonalitet. Hensikten deres var i hovedsak kosmetisk, å "dekke over" fraværet av lemmet uten å gi noen nyttig bevegelse.

Med de medisinske og mekaniske fremskrittene på 1800- og 1900-tallet De første artikulerte protesene kom, i stand til å gjengi noen grunnleggende bevegelser takket være enkle mekanismer. Senere dukket det opp «robot»- eller «bioniske» proteser, med motorer, ulike typer gripere og en viss grad av muskulær eller elektrisk kontroll.

Likevel, selv de mest moderne kommersielle bioniske hendene De lider av en avgjørende begrensning: kontrollen deres forblir kompleks, uintuitiv og mentalt utmattende. Oppgaver som en person med intakte hender utfører nesten uten å tenke – å plukke opp en kopp, holde et plastglass, gripe et tynt ark – utgjør en enorm utfordring for mange protesebrukere.

Den kognitive innsatsen er så høy at nesten halvparten av brukerne Han forlater til slutt sin bioniske hånd, og nevner vanskeligheter med å håndtere den, unaturlige kontroller og en konstant mental belastning. Hovedproblemet er at de fleste av disse enhetene ikke nøyaktig gjengir berøringssansen eller den automatiske koordinasjonen som hjernen utfører ubevisst.

University of Utahs tilnærming: delt menneske-maskin-kontroll

Et team fra NeuroRobotics Laboratory ved University of UtahLedet av forskere som Marshall Trout og Jacob A. George har et team utviklet et delt kontrollsystem som fullstendig endrer dette landskapet. Forslaget deres, publisert i tidsskriftet Nature Communications, er basert på en kommersielt tilgjengelig protesehånd (som TASKA-hånden) utstyrt med sensorer og en spesialtrent AI.

Hovedpoenget med dette arbeidet er det kontinuerlige samarbeidet mellom person og proteseBrukeren angir den generelle intensjonen med handlingen (gripe, slippe, bringe nærmere, holde…), mens en kunstig intelligensmodell autonomt justerer fingerposisjonen og grepstyrken med en finesse som er svært vanskelig å oppnå med direkte menneskelig kontroll alene.

For å oppnå dette har forskere lagt til nærhets- og trykksensorer. på fingertuppene til den bioniske hånden. Disse optiske sensorene er til og med i stand til å «se» objektet før de berører det, estimere avstanden og oppdage små variasjoner i kontakt og trykk når grepet begynner.

All denne informasjonen legges inn i en AI-modellen er trent med tusenvis av gripeposisjoner og «lærer» hvilken kombinasjon av fingeråpning og kraft som er best egnet for hver type objekt, slik at når hånden nærmer seg en kopp, et egg eller et ark, justerer den automatisk fingrene til optimal posisjon.

Samtidig mottar protesen menneskelige signaler fra kroppensom for eksempel den elektriske aktiviteten i underarmsmusklene eller huden, som indikerer bevegelsens intensjon. Systemet slår sammen brukerens signaler og AI-ens beslutninger i sanntid for å generere hybridkontroll: verken maskinen kommanderer alene, og personen trenger heller ikke å mikrostyre hver finger.

Finfølings- og nærhetssensorer: mot en protetisk «sjette sans»

En av de store fremskrittene til denne AI-drevne bioniske hånden ligger i dens kunstige fingertupper.Disse enhetene er designet for å etterligne fin menneskelig berøring, og måler ikke bare trykket som utøves på en objekts overflate, men integrerer også optiske nærhetssensorer som er i stand til å oppdage objekter før fysisk kontakt.

Takket være disse sensorene kan fingrene oppdage til og med en bomullsdott. De føles praktisk talt vektløse når de slippes, noe som er utenkelig i mange nåværende kommersielle proteser. Dette gjør det mulig å estimere masse, volum og delikatesse til objektet, og dermed justere gripekraften med ultrapresis nøyaktighet.

Hver finger har sin egen nærhetssensor som lar den «se» foran segDette betyr at alle fingrene jobber parallelt for å oppnå et stabilt grep. I stedet for at brukeren må tenke: «Nå lukker jeg pekefingeren litt mer, nå slapper jeg av tommelen», beregner AI-en den nøyaktige posisjonen som trengs for at hele hånden skal holde objektet uten å knuse det eller miste det.

Nærhets- og trykkdata mater kontinuerlig det nevrale nettverketsom justerer fingrenes bevegelse i sanntid. Hvis objektet begynner å gli, registrerer sensorene det, og systemet øker trykket litt. Hvis det oppdager at det deformeres (for eksempel en plastkopp), reduserer det kraften for å unngå at det brekker.

Denne sensoriske integrasjonen gjør den bioniske hånden til et mye mer autonomt system. når man regulerer grepet, og dermed fritar brukerens hjerne fra en betydelig del av den konstante overvåkingsoppgaven som den tidligere måtte gjøre bevisst.

Kognitiv belastning: hvorfor bioniske hender sliter hjernen så mye

I hverdagen vår er det nesten automatisk å bevege hånden vår.Vi beregner ikke bevisst posisjonen til hver finger eller kraften vi bruker. Hjernen er avhengig av interne modeller og berøringssansen for å tilpasse grepet vårt, og den gjør det med enorm hastighet og ubevisst.

I konvensjonelle robotproteser forsvinner praktisk talt denne automatiseringen.Brukeren må tenke nøye gjennom hvilken gest de skal gjøre, hvor mye kraft de skal bruke, når de skal åpne og lukke, og ofte gjør de det med knapt noen taktil informasjon som veileder dem.

Resultatet er enorm mental belastning.Uintuitive kontroller, behovet for å gjentatte ganger øve på enkle gester, og en følelse av at ethvert konsentrasjonssvikt kan føre til knust glass eller en gjenstand på gulvet. Dette scenariet forklarer hvorfor så mange brukere ender opp med å forlate protesen til tross for den avanserte teknologien.

Systemet som er foreslått av Utah-teamet søker å lindre nettopp denne kognitive belastningen.Ved å delegere finjusteringen av grepet til AI og utnytte sensorer som simulerer berøring, kan brukeren fokusere på den overordnede intensjonen med bevegelsen (gripe, holde, slippe) i stedet for å kontrollere hver eneste mikrodetalj.

Forfatterne av studien insisterer på at de ikke ønsker at personen skal «slåss» med maskinen. gjennom håndkontroll. Målet er at AI-en skal fungere som en forsterkning av brukerens naturlige kontroll, ikke som en autopilot som tar over uten tillatelse. På denne måten respekteres pasientens ønsker samtidig som de lindres for noe av den mentale byrden.

Resultater fra den virkelige verden: større nøyaktighet, mindre innsats

Det intelligente bioniske håndsystemet har blitt testet med forskjellige typer brukereni personer uten amputasjon (for å validere kontrollen og grensesnittet) og fire amputerte personer med tap av lem mellom albue og håndledd, dvs. med underarmsproteser.

Disse testene involverte svært hverdagslige, men delikate oppgaverEksempler på handlinger som å holde et egg uten å knuse det, plukke opp et ark uten å rive det, drikke fra en kopp, manipulere små gjenstander eller løfte en kopp etter håndtaket er alle situasjoner der grepstyrke og holdning må kontrolleres nøyaktig.

Deltakerne viste en klar forbedring i grepsikkerhet og nøyaktighet. ved bruk av AI-systemet sammenlignet med konvensjonelle, rent menneskelige eller rent automatiserte kontrollmetoder. Videre målte forskerne en betydelig reduksjon i opplevd kognitiv belastning under oppgavene.

Det mest slående er at mange av disse gestene ble utført uten forutgående intensiv treningMed andre ord, kombinasjonen av sensorer og nevrale nettverk betydde at brukeren fra tidlig av kunne bruke forskjellige grepsstiler mer naturlig, uten å måtte memorere kompliserte muskelaktiveringsmønstre.

Hos amputerte pasienter ble det også observert en forbedring i såkalt «finmotorikk».Denne evnen til å utføre presise og koordinerte bevegelser med de små musklene i hånden og fingrene er viktig for aktiviteter som skriving, manipulering av redskaper, festing av klær eller håndtering av skjøre gjenstander.

Har en bionisk hånd med AI et «eget sinn»?

I sin egen pressemelding fra University of Utah ble det snakket om å gi hånden «sitt eget sinn».Dette slående uttrykket har skapt en del filosofisk og mediedebatt. Ideen er ikke at protesen er bevisst, men snarere at den har nok autonomi til å håndtere deler av bevegelsen på egenhånd.

I praksis mottar den bioniske hånden informasjon fra omgivelsene, bearbeider den og handler uten at brukeren trenger å overvåke hver mikrojustering. Utenfra kan det virke som om den «bestemmer» seg selv, men det den faktisk gjør er å utføre brukerens generelle kommandoer på en svært sofistikert måte, basert på det den lærte under treningen av det nevrale nettverket.

Noen eksperter innen kognitiv nevrovitenskap, som Tamar MakinDe har vist at forholdet mellom hjernen og proteser er mer komplekst enn man tidligere har trodd. Deres nevroavbildningsstudier tyder på at proteser ikke er representert i hjernen nøyaktig som hender eller verktøy, men snarere genererer sin egen nevrale signatur, en slags «ny kategori».

Andre forskere, som Dani Clode ved University of CambridgeDe utforsker proteser som ikke bare erstatter, men også utvider muligheter – for eksempel ved å legge til en andre tommel – og utnytter hjernens plastisitet til å integrere flere elementer i kroppsskjemaet uten å måtte imitere den opprinnelige anatomien 100 %.

Alt dette reiser interessante spørsmål om hvordan vi tilskriver bevissthet og handlingskraft til maskiner og enheter. I dag har vi ingen måte å bevise at en AI er bevisst, og når det gjelder proteser snakker vi mer om svært sofistikerte sensorimotoriske kontrollsystemer enn om «sinn» i streng forstand.

Andre innovasjonslinjer: hybridhender, modularitet og spillifisering

Utahs smarte hånd er ikke det eneste kraftige fremskrittet på dette feltet.Andre forskerteam, som det ved Johns Hopkins University, jobber med hybride robothender som kombinerer stive og myke strukturer for bedre å etterligne menneskelig anatomi og manipulere både delikate og tunge gjenstander.

Disse hybridhendene har vanligvis en intern 3D-printet struktur. Protesen er laget med gummilignende polymerer og fleksible ledd, og tilpasser seg bedre til uregelmessige former, forskjellige teksturer og varierende trykk, noe som gir et mye mer allsidig grep.

De har også flere lag med berøringssensorer inspirert av menneskehud.i stand til å oppdage kontakt, endringer i trykk og glidning. Denne «elektroniske huden» lar hånden føle om en gjenstand begynner å gli og automatisk øke kraften for å forhindre at den faller til bakken.

Alt dette kompletteres av kontrollsystemer basert på muskelsignaler.der underarmsmusklene sender kommandoer til de kunstige fingrene, og kunstig intelligens og maskinlæringsalgoritmer oversetter disse signalene til naturlige bevegelser. Protesens «hjerne» tolker om noe er hardt eller mykt, varmt eller kaldt, stabilt eller i ferd med å gli.

I tester med hverdagsgjenstander – kosedyr, svamper, flasker, ananas eller plastkopper– noen av disse hendene har oppnådd nesten 100 % suksessrate i å manipulere gjenstander uten å deformere eller ødelegge dem. Et spesielt illustrerende eksperiment involverte å løfte en tynn plastkopp fylt med vann med bare tre fingre, og justere trykket med bemerkelsesverdig presisjon.

I mellomtiden har selskaper som Open Bionics fokusert på brukerorienterte løsninger, som for eksempel Hero Arm-serien, som tilbyr helt trådløse, vannavstøtende og tilpassbare bioniske hender, designet for å integreres i hverdagen til barn, tenåringer og voksne på en mye mer komfortabel måte.

Disse protesene styres av trådløse EMG-elektroder (MyoPods) Plassert på stumpen eller underarmen, registrerer de muskelaktivitet og oversetter den til bevegelser av de bioniske fingrene. Siden de er trådløse, gjør de det mulig å løsne hånden fysisk fra kroppen og koble den til igjen, og til og med feste den til sportsutstyr ved hjelp av det samme standard forankringssystemet.

Den emosjonelle og motivasjonsmessige komponenten er også viktigNoen oppstartsbedrifter har utviklet modulære og relativt rimelige hender, primært designet for barn, for å vokse med dem: delene kan byttes ut med større etter hvert som barnets kropp endrer seg, noe som reduserer kostnadene ved å fornye komplette proteser med noen års mellomrom.

Slik at det ikke er en prøvelse å lære å bruke protesenVirtuelle virkelighetsmiljøer som VREHAB er laget der barn øver på bevegelser med sin bioniske hånd gjennom spill som «å klatre i bygninger som en superhelt». Etter hvert som de forbedrer seg, tjener de poeng, og terapeuter kan overvåke fremgangen deres eksternt.

Den tilpassbare estetikken hjelper også brukeren med å føle at protesen er deres egen.Takket være 3D-printing er design inspirert av superhelter, futuristiske stiler eller finisher som matcher ungdomsmote nå tilgjengelige. Dette forvandler den bioniske hånden til mer enn bare et medisinsk utstyr, og gjør den også til et identitetsuttrykk.

Mot tankekontroll og berøring «tilbake» til hjernen

Med blikket rettet mot den nærmeste fremtiden, de mest banebrytende forskningsteamene De planlegger å kombinere disse smarte hendene med implanterte nevrale grensesnitt, slik at protesen kan styres direkte av hjerneaktivitet i stedet for å utelukkende stole på overflatemuskelsignaler.

Målet er at den bioniske hånden skal reagere nesten like raskt og naturlig. som en biologisk hånd, noe som ytterligere reduserer kognitiv belastning. Hvis brukeren tenker på å lukke hånden, skal protesen starte bevegelsen uten behov for bevisst muskelsammentrekning eller lærte mønstre.

Samtidig pågår det arbeid med å gjenopprette følesansen i nervesystemet. Fra brukeren: trykk- og nærhetssensorene i protesen kan sende kodede signaler som oversettes til følelser av kontakt, tekstur eller kraft oppfattet i hjernen, og som nærmer seg ekte sensorisk tilbakemelding.

Forskere som Jacob A. George understreker at denne forskningslinjen er en del av en bredere visjon. å forbedre livskvaliteten til personer med amputasjoner, ved å integrere intelligente proteser, nevrale grensesnitt og avanserte sensoriske systemer i et sammenhengende økosystem.

Selv om det fortsatt er år med utvikling og kliniske studier foran ossNåværende resultater viser at det allerede er mulig for oppgaver så enkle som å drikke fra en plastkopp å slutte å være en utmattende utfordring og gradvis føles like naturlig som før amputasjonen.

Alt peker mot at bioniske hender med kunstig intelligens slutter å være science fiction. å bli praktiske verktøy som reduserer mental anstrengelse, gjenoppretter finmotorikk og utvider mulighetene for samhandling med omgivelsene, fra å holde en kopp eller et egg trygt til å klemme noen uten frykt for å såre dem.

Relatert artikkel:

Levende intelligens: hva det er, hvordan det fungerer og hvorfor det er viktig