Bionické ruky s umelou inteligenciou: ako fungujú a čo dokážu

Informatec Digital » Zdroje » Bionické ruky s umelou inteligenciou: ako fungujú a čo dokážu

Bionické ruky s umelou inteligenciou robia obrovský skok vpred Pokiaľ ide o tradičné protézy: už nejde len o mechanické pohybovanie prstami, ale o obnovenie niečoho veľmi podobného prirodzenej obratnosti ľudskej ruky s menšou duševnou námahou a väčšou sebadôverou v každodennom živote.

Čo je skutočne revolučné na tejto novej generácii protéz Kombinujú pokročilé senzory, AI modelyPevné a mäkké robotické štruktúry a zdieľané systémy riadenia človek-stroj, takže ruka „premýšľa“ o časti pohybu, zatiaľ čo používateľ sa naďalej rozhoduje, čo chce v danom okamihu robiť.

Od prvých protéz až po inteligentné bionické ruky

Myšlienka nahradenia stratenej končatiny má dlhú históriuUž v staroveku existovali protézy rúk a paží, ako napríklad slávna „Ruka z Capuy“ z obdobia okolo roku 300 pred Kristom, vyrobená zo železa, bronzu a dreva. Predpokladá sa, že patrila rímskemu vojakovi, ktorý ju používal na držanie štítu po tom, čo stratil časť ruky.

Po stáročia boli protézy len estetickými prvkami.Boli to jednoduché formy, ktoré napodobňovali tvar končatiny, ale neponúkali žiadnu skutočnú funkčnosť. Ich účel bol v podstate kozmetický, „zakryť“ absenciu končatiny bez toho, aby poskytovali akýkoľvek užitočný pohyb.

S medicínskym a mechanickým pokrokom 19. a 20. storočia Objavili sa prvé kĺbové protézy, ktoré boli schopné reprodukovať niektoré základné gestá vďaka jednoduchým mechanizmom. Neskôr sa objavili „robotické“ alebo „bionické“ protézy s motormi, rôznymi typmi chápadiel a určitým stupňom svalového alebo elektrického ovládania.

Napriek tomu aj tie najmodernejšie komerčné bionické ruky Trpia zásadným obmedzením: ich ovládanie zostáva zložité, neintuitívne a psychicky vyčerpávajúce. Úlohy, ktoré človek s neporušenými rukami vykonáva takmer bez premýšľania – zdvihnutie šálky, držanie plastového pohára, uchopenie tenkého kusu papiera – predstavujú pre mnohých používateľov protéz obrovskú výzvu.

Kognitívne úsilie je také vysoké, že takmer polovica používateľov Nakoniec sa vzdal svojej bionickej ruky s odvolaním sa na ťažkosti s jej ovládaním, neprirodzené ovládanie a neustále psychické vypätie. Hlavným problémom je, že väčšina týchto zariadení presne nenapodobňuje hmat ani automatickú koordináciu, ktorú mozog vykonáva podvedome.

Prístup Univerzity v Utahu: zdieľané riadenie človeka a stroja

Tím z NeuroRobotického laboratória na Univerzite v UtahuTím vedený výskumníkmi ako Marshall Trout a Jacob A. George vyvinul zdieľaný riadiaci systém, ktorý úplne mení túto situáciu. Ich návrh, publikovaný v časopise Nature Communications, je založený na komerčne dostupnej protéze ruky (ako napríklad TASKA Hand) vybavenej senzormi a špeciálne vyškolenou umelou inteligenciou.

Kľúčovým bodom tejto práce je nepretržitá spolupráca medzi človekom a protézou.Používateľ indikuje všeobecný zámer akcie (uchopiť, uvoľniť, priblížiť, držať...), zatiaľ čo model umelej inteligencie autonómne upravuje polohu prstov a silu úchopu s jemnosťou, ktorú je veľmi ťažké dosiahnuť len priamym ľudským ovládaním.

Aby to vedci dosiahli, pridali senzory priblíženia a tlaku. na končekoch prstov bionickej ruky. Tieto optické senzory sú dokonca schopné „vidieť“ objekt ešte predtým, ako sa ho dotknete, odhadnúť jeho vzdialenosť a detekovať nepatrné zmeny v kontakte a tlaku po začatí úchopu.

Všetky tieto informácie sa zadávajú do Model umelej inteligencie, trénovaný s tisíckami úchopových polôh, sa „naučí“, ktorá kombinácia otvorenia prstov a sily je najvhodnejšia pre každý typ objektu, takže keď sa ruka priblíži k šálke, vajíčku alebo listu papiera, automaticky nastaví prsty do optimálnej polohy.

Zároveň protéza prijíma ľudské signály z telaako napríklad elektrická aktivita svalov alebo kože predlaktia, ktoré naznačujú zámer pohybu. Systém spája signály používateľa a rozhodnutia umelej inteligencie v reálnom čase, aby vytvoril hybridné ovládanie: stroj ani nerozkazuje sám, ani osoba nemusí mikromanažovať každý prst.

Jemné dotykové a priblížovacie senzory: smerom k protetickému „šiestemu zmyslu“

Jedným z veľkých pokrokov tejto bionickej ruky poháňanej umelou inteligenciou sú jej umelé končeky prstov.Tieto zariadenia, navrhnuté tak, aby napodobňovali jemný ľudský dotyk, nielen merajú tlak vyvíjaný na povrch objektu, ale integrujú aj optické senzory priblíženia schopné detekovať objekty pred fyzickým kontaktom.

Vďaka týmto senzorom dokážu prsty rozpoznať aj vatový tampón. Pri páde sa cítia prakticky beztiažovo, čo je v mnohých súčasných komerčných protézach nemysliteľné. To umožňuje odhadnúť hmotnosť, objem a krehkosť objektu, a tým nastaviť silu uchopenia s ultra presnou presnosťou.

Každý prst má svoj vlastný senzor priblíženia, ktorý mu umožňuje „vidieť“ pred sebouTo znamená, že všetky prsty pracujú paralelne, aby dosiahli stabilný úchop. Namiesto toho, aby si používateľ musel myslieť: „Teraz trochu viac zatvorím ukazovák, teraz uvoľním palec,“ umelá inteligencia vypočíta presnú polohu potrebnú pre celú ruku, aby držala predmet bez toho, aby ho stlačila alebo spadla.

Údaje o blízkosti a tlaku nepretržite dodávajú do neurónovej sietektorý v reálnom čase upravuje pohyb prstov. Ak sa predmet začne šmýkať, senzory to zaznamenajú a systém mierne zvýši tlak; ak si všimne, že sa deformuje (napríklad plastový pohár), zníži silu, aby sa predišlo jeho rozbitiu.

Táto senzorická integrácia robí z bionickej ruky oveľa autonómnejší systém. pri regulácii úchopu, čím sa mozog používateľa zbavuje významnej časti neustálej monitorovacej úlohy, ktorú predtým musel vykonávať vedome.

Kognitívna záťaž: prečo bionické ruky tak unavujú mozog

V našom každodennom živote je pohyb ruky takmer automatický.Vedome nevypočítavame polohu každého prsta ani silu, ktorú vyvíjame. Mozog sa pri prispôsobovaní úchopu spolieha na vnútorné modely a hmat a robí to obrovskou rýchlosťou a nevedome.

V konvenčných robotických protézach táto automatizácia prakticky mizne.Používateľ si musí starostlivo premyslieť, aké gesto má urobiť, akú silu má vynaložiť, kedy má otvoriť a kedy zatvoriť, a často to robí takmer bez akýchkoľvek hmatových informácií, ktoré by ho viedli.

Výsledkom je obrovská psychická záťaž.Neintuitívne ovládanie, potreba opakovane precvičovať jednoduché gestá a pocit, že akýkoľvek pokles sústredenia by mohol viesť k rozbitiu pohára alebo nejakého predmetu na podlahe. Tento scenár vysvetľuje, prečo toľko používateľov nakoniec od protézy odstúpi napriek jej pokročilej technológii.

Systém navrhnutý tímom z Utahu sa snaží zmierniť práve túto kognitívnu záťaž.Delegovaním jemného doladenia úchopu na umelú inteligenciu a využitím senzorov simulujúcich dotyk sa používateľ môže sústrediť na celkový zámer pohybu (uchopenie, držanie, uvoľnenie) namiesto ovládania každého mikrodetailu.

Autori štúdie trvajú na tom, že nechcú, aby daná osoba „bojovala“ so strojom. prostredníctvom ovládania rukou. Cieľom je, aby umelá inteligencia fungovala ako posilnenie prirodzenej kontroly používateľa, nie ako autopilot, ktorý preberá kontrolu bez jeho povolenia. Týmto spôsobom sa rešpektujú želania pacienta a zároveň sa mu odbúrava časť psychickej záťaže.

Výsledky testov v reálnom svete: vyššia presnosť, menej úsilia

Inteligentný bionický systém ruky bol testovaný s rôznymi typmi používateľovdeväť ľudí bez amputácie (na overenie kontroly a rozhrania) a štyria ľudia s amputáciou so stratou končatiny medzi lakťom a zápästím, t. j. s protézami predlaktia.

Tieto testy zahŕňali veľmi každodenné, ale chúlostivé úlohyPríklady činností, ako je držanie vajíčka bez jeho rozbitia, zdvihnutie listu papiera bez jeho roztrhnutia, pitie z pohára, manipulácia s malými predmetmi alebo zdvíhanie pohára za rúčku, sú situácie, v ktorých je potrebné presne kontrolovať silu úchopu a držanie tela.

Účastníci preukázali jasné zlepšenie v bezpečnosti a presnosti úchopu. pri použití systému umelej inteligencie v porovnaní s konvenčnými, čisto ľudskými alebo čisto automatizovanými metódami riadenia. Okrem toho výskumníci namerali významné zníženie vnímanej kognitívnej záťaže počas plnenia úloh.

Najpozoruhodnejšie je, že mnohé z týchto gest boli vykonané bez predchádzajúceho intenzívneho tréningu.Inými slovami, kombinácia senzorov a neurónovej siete znamenala, že používateľ mohol už od začiatku prirodzenejšie používať rôzne štýly úchopu bez toho, aby si musel pamätať zložité vzorce aktivácie svalov.

U pacientov po amputácii sa pozorovalo aj zlepšenie tzv. „jemnej motorickej kontroly“.Táto schopnosť vykonávať presné a koordinované pohyby pomocou malých svalov ruky a prstov je nevyhnutná pre činnosti, ako je písanie, manipulácia s riadom, zapínanie oblečenia alebo manipulácia s krehkými predmetmi.

Má bionická ruka s umelou inteligenciou „vlastnú myseľ“?

Tlačová správa samotnej Univerzity v Utahu hovorila o tom, že ruka má „vlastnú myseľ“.Tento výrazný výraz vyvolal filozofickú a mediálnu diskusiu. Myšlienka nespočíva v tom, že protéza je vedomá, ale skôr v tom, že má dostatočnú autonómiu na to, aby časť pohybu zvládla sama.

V praxi bionická ruka prijíma informácie z prostredia, spracováva ich a koná bez toho, aby používateľ musel sledovať každú mikroúpravu. Zvonku sa môže zdať, že sa „rozhoduje“ sám, ale v skutočnosti vykonáva všeobecné príkazy používateľa veľmi sofistikovaným spôsobom, pričom sa spolieha na to, čo sa naučil počas trénovania neurónovej siete.

Niektorí odborníci na kognitívnu neurovedu, ako napríklad Tamar MakinUkázali, že vzťah medzi mozgom a protézami je zložitejší, než sa doteraz predpokladalo. Ich neurozobrazovacie štúdie naznačujú, že protézy nie sú v mozgu reprezentované presne ako ruky alebo nástroje, ale skôr generujú svoj vlastný neurálny podpis, akúsi „novú kategóriu“.

Ďalší výskumníci, ako napríklad Dani Clode z Univerzity v CambridgeiSkúmajú protézy, ktoré nielen nahrádzajú, ale aj rozširujú možnosti – napríklad pridaním druhého palca –, pričom využívajú plasticitu mozgu na integráciu ďalších prvkov do telesnej schémy bez nutnosti 100 % napodobňovať pôvodnú anatómiu.

Toto všetko vyvoláva zaujímavé otázky o tom, ako pripisujeme vedomie a konanie k strojom a zariadeniam. Dnes nemáme spôsob, ako dokázať, že umelá inteligencia je vedomá, a v prípade protéz hovoríme skôr o veľmi sofistikovaných senzoricko-motorických riadiacich systémoch než o „mysli“ v užšom zmysle slova.

Ďalšie inovačné smery: hybridné ruky, modularita a gamifikácia

Utahova šikovná ruka nie je jediným silným pokrokom v tejto oblastiIné výskumné tímy, ako napríklad ten na Univerzite Johnsa Hopkinsa, pracujú na hybridných robotických rukách, ktoré kombinujú pevné a mäkké štruktúry, aby lepšie napodobňovali ľudskú anatómiu a manipulovali s jemnými aj ťažkými predmetmi.

Tieto hybridné ruky zvyčajne obsahujú vnútornú štruktúru vytlačenú 3D tlačou. Protéza, vyrobená z polymérov podobných gume a s flexibilnými kĺbmi, sa lepšie prispôsobuje nepravidelným tvarom, rôznym textúram a meniacemu sa tlaku, čím poskytuje oveľa všestrannejší úchop.

Taktiež obsahujú niekoľko vrstiev dotykových senzorov inšpirovaných ľudskou pokožkou.schopný detekovať kontakt, zmeny tlaku a šmýkanie. Táto „elektronická koža“ umožňuje ruke vycítiť, či sa predmet začne šmýkať, a automaticky zvýšiť silu, aby zabránil jeho pádu na zem.

Toto všetko je doplnené riadiacimi systémami založenými na svalových signáloch.kde svaly predlaktia posielajú povely umelým prstom a umelá inteligencia a algoritmy strojového učenia premieňajú tieto signály na prirodzené pohyby. „Mozog“ protézy interpretuje, či je niečo tvrdé alebo mäkké, horúce alebo studené, stabilné alebo sa chystá skĺznuť.

V testoch s predmetmi každodennej potreby – plyšovými zvieratkami, špongiami, fľašami, ananásmi alebo plastovými pohármi— niektoré z týchto rúk dosiahli takmer 100 % úspešnosť pri manipulácii s predmetmi bez ich deformácie alebo zlomenia. Jeden obzvlášť ilustratívny experiment zahŕňal zdvíhanie tenkého plastového pohára naplneného vodou iba tromi prstami, pričom tlak sa nastavoval s pozoruhodnou presnosťou.

Medzitým sa spoločnosti ako Open Bionics zamerali na riešenia orientované na používateľa, ako napríklad rad Hero Arm, ktorý ponúka plne bezdrôtové, vodeodolné a prispôsobiteľné bionické ruky, navrhnuté tak, aby sa oveľa pohodlnejšie integrovali do každodenného života detí, tínedžerov a dospelých.

Tieto protézy sú ovládané bezdrôtovými EMG elektródami (MyoPods) Umiestnené na pahýľ alebo predlaktie, detekujú svalovú aktivitu a premieňajú ju na pohyby bionických prstov. Keďže sú bezdrôtové, umožňujú fyzické oddelenie ruky od tela a jej opätovné pripojenie, a dokonca aj pripevnenie k športovému príslušenstvu pomocou rovnakého štandardného kotviaceho systému.

Kľúčová je aj emocionálna a motivačná zložkaNiektoré startupy vyvinuli modulárne a relatívne cenovo dostupné ruky určené predovšetkým pre deti, aby s nimi rástli: jednotlivé časti je možné nahradiť väčšími, keď sa telo dieťaťa mení, čím sa znižujú náklady na obnovu kompletných protéz každých pár rokov.

Aby učenie sa používať protézu nebolo utrpenímBoli vytvorené prostredia virtuálnej reality ako VREHAB, kde deti precvičujú pohyby svojou bionickou rukou prostredníctvom hier ako „lezenie po budovách ako superhrdina“. Ako sa zlepšujú, získavajú body a terapeuti môžu na diaľku sledovať ich pokrok.

Prispôsobiteľná estetika tiež pomáha používateľovi cítiť sa, akoby protéza bola jeho vlastná.Vďaka 3D tlači sú teraz k dispozícii dizajny inšpirované superhrdinami, futuristické štýly alebo povrchové úpravy, ktoré zodpovedajú móde pre mládež. Bionická ruka sa tak premieňa na viac než len zdravotnícku pomôcku, ale aj na vyjadrenie identity.

Smerom k ovládaniu myšlienok a kontaktu „späť“ s mozgom

S pohľadom do blízkej budúcnosti najmodernejšie výskumné tímy Plánujú skombinovať tieto inteligentné ruky s implantovanými neurónovými rozhraniami, aby sa protéza dala ovládať priamo mozgovou aktivitou namiesto toho, aby sa spoliehala výlučne na signály povrchových svalov.

Cieľom je, aby bionická ruka reagovala takmer rovnako rýchlo a prirodzene. ako biologická ruka, čo ďalej znižuje kognitívnu záťaž. Ak používateľ uvažuje o zatvorení ruky, protéza by mala iniciovať pohyb bez potreby úmyselnej svalovej kontrakcie alebo naučených vzorcov.

Zároveň prebiehajú práce na obnovení hmatového zmyslu nervového systému. Od používateľa: senzory tlaku a priblíženia protézy by mohli vysielať kódované signály, ktoré sa premietajú do pocitov kontaktu, textúry alebo sily vnímaných v mozgu, čím sa blížia skutočnej senzorickej spätnej väzbe.

Výskumníci ako Jacob A. George zdôrazňujú, že táto výskumná línia je súčasťou širšej vízie. zlepšiť kvalitu života ľudí s amputáciami integráciou inteligentných protéz, neurónových rozhraní a pokročilých senzorických systémov do súvislého ekosystému.

Hoci nás ešte čakajú roky vývoja a klinických skúšokSúčasné výsledky ukazujú, že je už možné, aby aj také jednoduché úlohy, ako je pitie z plastového pohára, prestali byť vyčerpávajúcou výzvou a postupne sa cítili rovnako prirodzene ako pred amputáciou.

Všetko naznačuje, že bionické ruky s umelou inteligenciou prestávajú byť sci-fi. stať sa praktickými nástrojmi, ktoré znižujú duševnú námahu, obnovujú jemnú motoriku a rozširujú možnosti interakcie s prostredím, od bezpečného držania šálky alebo vajíčka až po objatie niekoho bez strachu, že mu ublížite.