Bioniczne dłonie ze sztuczną inteligencją: jak działają i co potrafią

Informatec Digital » Zasoby » Bioniczne dłonie ze sztuczną inteligencją: jak działają i co potrafią

Bioniczne dłonie ze sztuczną inteligencją robią ogromny krok naprzód Jeśli chodzi o tradycyjne protezy: nie chodzi już tylko o mechaniczne poruszanie palcami, ale o przywrócenie czegoś bardzo zbliżonego do naturalnej zręczności ludzkiej ręki, przy mniejszym wysiłku umysłowym i większej pewności siebie w życiu codziennym.

Co jest naprawdę rewolucyjnego w tej nowej generacji protez? Łączą zaawansowane czujniki, Modele sztucznej inteligencjiSztywne i miękkie struktury robotyczne oraz współdzielone systemy sterowania człowiek-maszyna, dzięki którym ręka „myśli” o części ruchu, a użytkownik decyduje, co chce w danej chwili zrobić.

Od pierwszych protez do inteligentnych bionicznych dłoni

Pomysł zastąpienia utraconej kończyny ma długą historięJuż w starożytności istniały protezy rąk i dłoni, takie jak słynna „Ręka Kapui”, pochodząca z około 300 r. p.n.e., wykonana z żelaza, brązu i drewna. Uważa się, że należała do rzymskiego żołnierza, który używał jej do trzymania tarczy po utracie części ręki.

Przez stulecia protezy były czymś więcej niż tylko elementem estetycznym.Były to proste formy, które naśladowały kształt kończyny, ale nie oferowały żadnej rzeczywistej funkcjonalności. Ich cel był zasadniczo kosmetyczny, polegający na „zamaskowaniu” braku kończyny bez zapewnienia jej użytecznego ruchu.

Dzięki postępowi medycyny i mechaniki XIX i XX wieku Pojawiły się pierwsze protezy stawowe, zdolne do odtworzenia podstawowych gestów dzięki prostym mechanizmom. Później pojawiły się protezy „robotyczne” lub „bioniczne”, z silnikami, różnego rodzaju chwytakami i pewnym stopniem sterowania mięśniowego lub elektrycznego.

Mimo to nawet najnowocześniejsze komercyjne bioniczne dłonie Cierpią na istotną wadę: ich kontrola pozostaje skomplikowana, nieintuicyjna i wyczerpująca psychicznie. Czynności, które osoba z nienaruszonymi rękami wykonuje niemal bezmyślnie – podniesienie kubka, trzymanie plastikowej szklanki, trzymanie cienkiej kartki papieru – stanowią ogromne wyzwanie dla wielu użytkowników protez.

Wysiłek poznawczy jest tak duży, że prawie połowa użytkowników Ostatecznie porzuca bioniczną rękę, powołując się na trudności w posługiwaniu się nią, nienaturalne sterowanie i ciągłe obciążenie psychiczne. Głównym problemem jest to, że większość tych urządzeń nie odzwierciedla dokładnie zmysłu dotyku ani automatycznej koordynacji, którą mózg wykonuje nieświadomie.

Podejście Uniwersytetu Utah: wspólna kontrola człowieka i maszyny

Zespół z Laboratorium NeuroRobotyki na Uniwersytecie UtahZespół naukowców, takich jak Marshall Trout i Jacob A. George, opracował system współdzielonej kontroli, który całkowicie zmienia ten krajobraz. Ich propozycja, opublikowana w czasopiśmie Nature Communications, opiera się na dostępnej komercyjnie protezie ręki (takiej jak TASKA Hand) wyposażonej w czujniki i specjalnie wyszkoloną sztuczną inteligencję.

Kluczowym punktem tej pracy jest ciągła współpraca człowieka z proteząUżytkownik wskazuje ogólny cel czynności (chwytanie, puszczanie, przybliżanie, przytrzymywanie...), podczas gdy model sztucznej inteligencji autonomicznie dostosowuje położenie palców i siłę chwytu z finezją, którą bardzo trudno osiągnąć wyłącznie przy bezpośredniej kontroli człowieka.

Aby to osiągnąć, naukowcy dodali czujniki zbliżeniowe i czujniki ciśnienia. na opuszkach palców bionicznej dłoni. Te czujniki optyczne są nawet w stanie „zobaczyć” obiekt przed dotknięciem go, oszacować odległość i wykryć drobne zmiany w kontakcie i nacisku po rozpoczęciu chwytu.

Wszystkie te informacje są wprowadzane do Model sztucznej inteligencji, wyszkolony w tysiącach pozycji chwytu, „uczy się”, jaka kombinacja rozstawienia palców i siły jest najbardziej odpowiednia dla danego rodzaju obiektu. Dzięki temu, gdy dłoń zbliża się do kubka, jajka lub kartki papieru, automatycznie dostosowuje ułożenie palców do optymalnej pozycji.

Jednocześnie proteza odbiera sygnały ludzkie z ciałatakie jak aktywność elektryczna mięśni przedramienia lub skóry, które wskazują na cel ruchu. System łączy sygnały użytkownika z decyzjami sztucznej inteligencji w czasie rzeczywistym, aby zapewnić hybrydową kontrolę: ani maszyna nie wydaje poleceń samodzielnie, ani użytkownik nie musi samodzielnie kontrolować każdego palca.

Czujniki dotyku i zbliżeniowe: w stronę protetycznego „szóstego zmysłu”

Jednym z największych osiągnięć tej wspomaganej sztuczną inteligencją bionicznej dłoni są jej sztuczne opuszki palców.Urządzenia te zostały zaprojektowane tak, aby naśladować delikatny dotyk człowieka. Nie tylko mierzą one nacisk wywierany na powierzchnię obiektu, ale także zawierają optyczne czujniki zbliżeniowe, które wykrywają obiekty jeszcze przed ich fizycznym kontaktem.

Dzięki tym czujnikom palce potrafią wykryć nawet wacik. Po upuszczeniu wydają się praktycznie nieważkie, co jest nie do pomyślenia w przypadku wielu dostępnych obecnie protez komercyjnych. Pozwala to oszacować masę, objętość i delikatność przedmiotu, a tym samym dostosować siłę chwytu z ultraprecyzyjną dokładnością.

Każdy palec ma swój własny czujnik zbliżeniowy, który pozwala mu „widzieć” to, co znajduje się przed nimOznacza to, że wszystkie palce pracują równolegle, aby zapewnić stabilny chwyt. Zamiast myśleć: „Teraz zaciskam palec wskazujący trochę mocniej, a teraz rozluźniam kciuk”, sztuczna inteligencja oblicza dokładną pozycję potrzebną całej dłoni do utrzymania przedmiotu bez jego zgniecenia lub upuszczenia.

Dane dotyczące bliskości i ciśnienia są stale przesyłane do sieci neuronowejktóry dostosowuje ruch palców w czasie rzeczywistym. Jeśli obiekt zaczyna się ślizgać, czujniki wykrywają to i system nieznacznie zwiększa nacisk; jeśli zauważy, że obiekt się odkształca (na przykład plastikowy kubek), zmniejsza siłę nacisku, aby go nie uszkodzić.

Dzięki integracji sensorycznej bioniczna ręka stała się o wiele bardziej autonomicznym systemem. podczas regulacji chwytu, odciążając mózg użytkownika od znacznej części stałego monitorowania, które wcześniej musiał wykonywać świadomie.

Obciążenie poznawcze: dlaczego bioniczne dłonie tak bardzo męczą mózg

W naszym codziennym życiu ruchy rąk są niemal automatyczne.Nie obliczamy świadomie położenia każdego palca ani siły, jaką przykładamy. Mózg opiera się na modelach wewnętrznych i zmyśle dotyku, aby dostosować nasz chwyt, i robi to z ogromną prędkością i nieświadomie.

W konwencjonalnych protezach robotycznych automatyzacja ta praktycznie zanika.Użytkownik musi dokładnie zastanowić się, jaki gest wykonać, z jaką siłą go użyć, kiedy otworzyć, a kiedy zamknąć, i często robi to, nie mając praktycznie żadnych wskazówek dotykowych.

Rezultatem jest ogromne obciążenie psychiczne.Nieintuicyjne sterowanie, konieczność wielokrotnego ćwiczenia prostych gestów i poczucie, że każda chwila nieuwagi może skończyć się stłuczeniem szklanki lub upadkiem przedmiotu na podłogę – to wszystko wyjaśnia, dlaczego tak wielu użytkowników rezygnuje z protezy, pomimo jej zaawansowanej technologii.

System zaproponowany przez zespół z Utah ma na celu złagodzenie właśnie tego obciążenia poznawczego.Delegując precyzyjną regulację chwytu sztucznej inteligencji i wykorzystując czujniki symulujące dotyk, użytkownik może skupić się na ogólnym zamiarze ruchu (chwytanie, trzymanie, puszczanie), zamiast kontrolować każdy mikroszczegół.

Autorzy badania podkreślają, że nie chcą, aby człowiek „walczył” z maszyną. Poprzez sterowanie ręczne. Celem jest, aby sztuczna inteligencja działała jako wzmocnienie naturalnej kontroli użytkownika, a nie jako autopilot, który przejmuje kontrolę bez jego pozwolenia. W ten sposób życzenia pacjenta są respektowane, a jednocześnie odciąża go od części obciążenia psychicznego.

Wyniki testów w warunkach rzeczywistych: większa dokładność, mniejszy wysiłek

Inteligentny system bionicznej ręki został przetestowany na różnych typach użytkowników:dziewięć osób bez amputacji (w celu sprawdzenia kontroli i interfejsu) i cztery osoby po amputacji, z utratą kończyny pomiędzy łokciem a nadgarstkiem, tj. z protezami przedramienia.

Testy te obejmowały codzienne, ale delikatne zadaniaPrzykładami czynności, które wymagają precyzyjnej kontroli siły chwytu i postawy ciała, są trzymanie jajka bez rozbijania go, podnoszenie kartki papieru bez jej rozrywania, picie z kubka, manipulowanie małymi przedmiotami lub podnoszenie kubka za uchwyt.

Uczestnicy wykazali wyraźną poprawę bezpieczeństwa i celności chwytu. podczas korzystania z systemu AI w porównaniu z konwencjonalnymi, czysto ludzkimi lub całkowicie zautomatyzowanymi metodami sterowania. Co więcej, badacze zaobserwowali znaczną redukcję odczuwanego obciążenia poznawczego podczas wykonywania zadań.

Najbardziej uderzające jest to, że wiele z tych gestów wykonywano bez wcześniejszego intensywnego treninguInnymi słowy, połączenie czujników i sieci neuronowej oznaczało, że użytkownik mógł już od najmłodszych lat stosować różne style chwytu w sposób bardziej naturalny, bez konieczności zapamiętywania skomplikowanych wzorców aktywacji mięśni.

U pacjentów po amputacji zaobserwowano także poprawę tzw. „kontroli motoryki małej”.Ta zdolność wykonywania precyzyjnych i skoordynowanych ruchów za pomocą małych mięśni dłoni i palców jest niezbędna do wykonywania takich czynności, jak pisanie, posługiwanie się sztućcami, zapinanie ubrań czy obsługa delikatnych przedmiotów.

Czy bioniczna ręka wyposażona w sztuczną inteligencję ma „własny umysł”?

W komunikacie prasowym Uniwersytetu Utah można było przeczytać o nadaniu dłoni „własnego umysłu”.To uderzające stwierdzenie wywołało debatę filozoficzną i medialną. Nie chodzi o to, że proteza jest świadoma, ale o to, że ma wystarczającą autonomię, by samodzielnie zarządzać częścią ruchu.

W praktyce ręka bioniczna odbiera informacje ze środowiska, przetwarza je i działa bez konieczności monitorowania przez użytkownika każdej mikroregulacji. Z zewnątrz może się wydawać, że „decyduje” samodzielnie, ale w rzeczywistości wykonuje ogólne polecenia użytkownika w bardzo wyrafinowany sposób, opierając się na tym, czego nauczył się podczas treningu sieci neuronowej.

Niektórzy eksperci w dziedzinie neuronauki poznawczej, tacy jak Tamar MakinWykazali, że relacja między mózgiem a protezami jest bardziej złożona, niż wcześniej sądzono. Ich badania neuroobrazowe sugerują, że protezy nie są reprezentowane w mózgu dokładnie tak, jak ręce czy narzędzia, lecz generują własny podpis neuronowy, rodzaj „nowej kategorii”.

Inni badacze, tacy jak Dani Clode z Uniwersytetu CambridgeBadają protezy, które nie tylko zastępują, ale także rozszerzają możliwości — na przykład poprzez dodanie drugiego kciuka — wykorzystując plastyczność mózgu do integracji dodatkowych elementów ze schematem ciała bez konieczności stuprocentowego naśladowania oryginalnej anatomii.

Wszystko to rodzi interesujące pytania o to, jak przypisujemy świadomość i sprawczość do maszyn i urządzeń. Dziś nie mamy sposobu na udowodnienie, że sztuczna inteligencja jest świadoma, a w przypadku protez mówimy raczej o bardzo zaawansowanych systemach sterowania sensomotorycznego niż o „umysłach” w ścisłym tego słowa znaczeniu.

Inne linie innowacji: ręce hybrydowe, modułowość i grywalizacja

Inteligentna ręka Utah nie jest jedynym znaczącym postępem w tej dziedzinieInne zespoły badawcze, takie jak ten na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, pracują nad hybrydowymi dłońmi robotów, które łączą sztywne i miękkie struktury, aby lepiej naśladować anatomię człowieka i móc manipulować zarówno delikatnymi, jak i ciężkimi przedmiotami.

Te hybrydowe dłonie zazwyczaj zawierają wewnętrzną strukturę drukowaną w technologii 3D Wykonana z polimerów przypominających gumę i elastycznych połączeń proteza lepiej dopasowuje się do nieregularnych kształtów, różnych tekstur i zmiennych ciśnień, zapewniając o wiele bardziej wszechstronny chwyt.

Zawierają również kilka warstw czujników dotykowych inspirowanych ludzką skórą.Zdolna do wykrywania kontaktu, zmian nacisku i poślizgu. Ta „elektroniczna skóra” pozwala dłoni wyczuć, czy obiekt zaczyna się ślizgać, i automatycznie zwiększyć siłę, aby zapobiec jego upadkowi na ziemię.

Całości dopełniają systemy sterowania bazujące na sygnałach mięśniowych.gdzie mięśnie przedramienia wysyłają polecenia do sztucznych palców, a algorytmy sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego tłumaczą te sygnały na naturalne ruchy. „Mózg” protezy interpretuje, czy coś jest twarde czy miękkie, gorące czy zimne, stabilne czy może się ześlizgnąć.

W testach z przedmiotami codziennego użytku – pluszowymi zwierzętami, gąbkami, butelkami, ananasami czy plastikowymi kubkami—, niektóre z tych rąk osiągnęły niemal 100% skuteczności w manipulowaniu przedmiotami bez ich deformowania lub łamania. Jeden szczególnie obrazowy eksperyment polegał na podniesieniu cienkiego plastikowego kubka wypełnionego wodą, używając zaledwie trzech palców, i regulowaniu ciśnienia z niezwykłą precyzją.

Tymczasem firmy takie jak Open Bionics skupiły się na rozwiązaniach zorientowanych na użytkownikatakie jak linia Hero Arm, która oferuje całkowicie bezprzewodowe, wodoodporne i konfigurowalne bioniczne dłonie, zaprojektowane tak, aby w znacznie wygodniejszy sposób dostosować się do codziennego życia dzieci, nastolatków i dorosłych.

Te protezy są sterowane za pomocą bezprzewodowych elektrod EMG (MyoPods) Umieszczone na kikucie lub przedramieniu, wykrywają aktywność mięśni i przekładają ją na ruchy bionicznych palców. Ponieważ są bezprzewodowe, pozwalają na fizyczne odłączenie dłoni od ciała i ponowne jej połączenie, a nawet na przymocowanie do akcesoriów sportowych za pomocą tego samego standardowego systemu mocowania.

Kluczowy jest również komponent emocjonalny i motywacyjnyNiektóre startupy opracowały modułowe i stosunkowo niedrogie dłonie, zaprojektowane przede wszystkim z myślą o dzieciach, które rosną razem z nimi: poszczególne części można wymieniać na większe w miarę zmian zachodzących w ciele dziecka, co zmniejsza koszty wymiany kompletnych protez co kilka lat.

Aby nauka korzystania z protezy nie była ciężką próbąStworzono środowiska rzeczywistości wirtualnej, takie jak VREHAB, w których dzieci ćwiczą ruchy bionicznej ręki, grając w gry takie jak „wspinaczka po budynkach jak superbohater”. W miarę postępów zdobywają punkty, a terapeuci mogą zdalnie monitorować ich postępy.

Możliwość personalizacji wyglądu protezy sprawia, że ​​użytkownik czuje, że jest ona jego własnością.Dzięki drukowi 3D dostępne są teraz wzory inspirowane superbohaterami, futurystycznymi stylami i wykończeniami pasującymi do młodzieżowej mody. To sprawia, że ​​bioniczna dłoń staje się czymś więcej niż tylko urządzeniem medycznym, a jednocześnie manifestem tożsamości.

W stronę kontroli myśli i powrotu do mózgu

Patrząc w najbliższą przyszłość, najbardziej nowatorskie zespoły badawcze Planują połączyć te inteligentne dłonie z wszczepionymi interfejsami neuronowymi, dzięki czemu protezą będzie można sterować bezpośrednio za pomocą aktywności mózgu, zamiast polegać wyłącznie na sygnałach mięśni powierzchniowych.

Celem jest to, aby bioniczna ręka reagowała niemal tak samo szybko i naturalnie. jak biologiczna ręka, co dodatkowo zmniejsza obciążenie poznawcze. Jeśli użytkownik pomyśli o zamknięciu dłoni, proteza powinna zainicjować ruch bez konieczności celowego skurczu mięśni lub wyuczonych wzorców.

Jednocześnie trwają prace nad przywróceniem zmysłu dotyku układowi nerwowemu. Od użytkownika: czujniki nacisku i zbliżenia protezy mogą wysyłać zakodowane sygnały, które przekładają się na wrażenia kontaktu, faktury lub siły odczuwane w mózgu, tworząc w ten sposób prawdziwe sprzężenie zwrotne sensoryczne.

Badacze tacy jak Jacob A. George podkreślają, że ten kierunek badań jest częścią szerszej wizji. poprawa jakości życia osób po amputacjach poprzez integrację inteligentnych protez, interfejsów neuronowych i zaawansowanych systemów sensorycznych w spójny ekosystem.

Choć przed nami jeszcze wiele lat rozwoju i badań klinicznychAktualne wyniki pokazują, że możliwe jest już, aby czynności tak proste jak picie z plastikowego kubka przestały być wyczerpującym wyzwaniem i stopniowo stały się tak naturalne, jak przed amputacją.

Wszystko wskazuje na to, że bioniczne dłonie i sztuczna inteligencja przestaną być science fiction. stać się praktycznymi narzędziami, które redukują wysiłek umysłowy, przywracają sprawność motoryki małej i rozszerzają możliwości interakcji z otoczeniem – od bezpiecznego trzymania kubka lub jajka po przytulanie kogoś bez obawy, że zrobi mu się krzywdę.