- Nove bionične roke, ki jih poganja umetna inteligenca, združujejo senzorje bližine in pritiska z nevronskimi mrežami za avtonomno prilagajanje drže in moči oprijema.
- Skupno upravljanje človeka in stroja zmanjšuje kognitivno obremenitev uporabnika in izboljšuje natančnost pri občutljivih vsakodnevnih opravilih.
- Razvijajo se hibridne, modularne in gamificirane zasnove ter nevronski vmesniki, ki bodo nadzor in občutek proteze približali pravi roki.
Bionske roke z umetno inteligenco so v primerjavi s tradicionalnimi protezami naredile velik korak naprej : ne gre več le za mehansko premikanje prstov, temveč za ponovno vzpostavitev nečesa zelo podobnega naravni spretnosti človeške roke, z manj miselnega napora in več samozavesti v vsakdanjem življenju.
Resnično revolucionarno pri tej novi generaciji protez je, da združujejo napredne senzorje, modele umetne inteligence , toge in mehke robotske strukture ter skupne sisteme za nadzor človek-stroj, tako da roka "razmišlja" o delu gibanja, medtem ko uporabnik še naprej odloča, kaj želi storiti v danem trenutku.
Od prvih protez do inteligentnih bioničnih rok
Zamisel o zamenjavi izgubljenega uda ima dolgo zgodovino : proteze rok in dlani so obstajale že v antiki, na primer znamenita "Kapuina roka" iz okoli leta 300 pr. n. št., izdelana iz železa, brona in lesa. Domneva se, da je pripadala rimskemu vojaku, ki jo je uporabljal za držanje ščita, potem ko je izgubil del roke.
Stoletja so bile proteze le estetski pripomočki , preprosti kalupi, ki so posnemali obliko okončine, vendar niso nudili nobene prave funkcionalnosti. Njihov namen je bil v bistvu kozmetičen, da bi "prikrili" odsotnost okončine, ne da bi omogočili kakršno koli uporabno gibanje.
Z medicinskim in mehanskim napredkom v 19. in 20. stoletju so se pojavile prve zglobne proteze, ki so bile sposobne reproducirati nekatere osnovne gibe zaradi preprostih mehanizmov. Kasneje so se pojavile "robotske" ali "bionske" proteze z motorji, različnimi vrstami prijemal in določeno stopnjo mišičnega ali električnega nadzora.
Kljub temu pa najnaprednejše komercialno dostopne bionične roke še vedno trpijo zaradi ključne omejitve: njihov nadzor ostaja kompleksen, neintuitiven in mentalno naporen. Naloge, ki jih oseba z nedotaknjenimi rokami opravlja skoraj brez razmišljanja – dvigovanje skodelice, držanje plastične skodelice, prijemanje tankega lista papirja – predstavljajo ogromen izziv za mnoge uporabnike protez.
Kognitivni napor je tako visok, da skoraj polovica uporabnikov na koncu opusti svojo bionično roko, pri čemer navajajo težave pri uporabi, nenaravne kontrole in nenehno duševno obremenitev. Glavna težava je, da večina teh naprav ne posnema natančno občutka dotika ali samodejne koordinacije, ki jo možgani izvajajo nezavedno.
Pristop Univerze v Utahu: skupni nadzor človeka in stroja
Ekipa iz Laboratorija za nevrorobotiko na Univerzi v Utahu , ki jo vodijo raziskovalci, kot sta Marshall Trout in Jacob A. George, je razvila sistem skupnega upravljanja, ki popolnoma spreminja svet. Njihov predlog, objavljen v reviji Nature Communications, temelji na komercialno dostopni protetični roki (kot je TASKA Hand), opremljeni s senzorji in posebej usposobljeno umetno inteligenco.
Ključna točka tega dela je nenehno sodelovanje med osebo in protezo : uporabnik nakaže splošni namen dejanja (prijeti, spustiti, približati, držati ...), medtem ko je model umetne inteligence odgovoren za avtonomno prilagajanje položaja prstov in moči prijema s finočo, ki jo je zelo težko doseči samo z neposrednim človeškim nadzorom.
Da bi to dosegli, so znanstveniki na konice prstov bionične roke dodali senzorje bližine in pritiska . Ti optični senzorji lahko celo "vidijo" predmet, preden se ga dotaknemo, ocenijo njegovo oddaljenost in zaznajo majhne spremembe v stiku in pritisku, ko se prijem začne.
Vse te informacije se vnesejo v sistem, ki je naučen s tisoči položaji prijema. Model umetne inteligence se "nauči", katera kombinacija razmika prstov in sile je najprimernejša za posamezno vrsto predmeta, tako da ko se roka približa skodelici, jajcu ali listu papirja, samodejno prilagodi prste v optimalen položaj.
Hkrati proteza sprejema človeške signale iz telesa , kot je električna aktivnost mišic podlakti ali kože, ki kažejo na predvideno gibanje. Sistem združuje uporabnikove signale in odločitve umetne inteligence v realnem času, da ustvari hibridni nadzor: stroj ne nadzoruje vsega in osebi ni treba natančno upravljati vsakega prsta.
Senzorji finega dotika in bližine: proti protetičnemu "šestemu čutu"
Eden glavnih napredkov te bionične roke, ki jo poganja umetna inteligenca, so njeni umetni konici prstov , zasnovani tako, da posnemajo fin človeški dotik. Ne merijo le pritiska na površino predmeta, temveč imajo vgrajene tudi optične senzorje bližine, ki lahko zaznajo predmete pred fizičnim stikom.
Zahvaljujoč tem senzorjem lahko prsti zaznajo celo praktično breztežno vatirano kroglico, ko ta pade nanje, kar je pri mnogih trenutnih komercialnih protezah nepredstavljivo. To omogoča oceno mase, prostornine in občutljivosti predmeta ter s tem prilagajanje moči prijema z izjemno natančnostjo.
Vsak prst ima svoj senzor bližine, ki mu omogoča, da "vidi" pred seboj , kar pomeni, da vsi prsti delujejo vzporedno, da dosežejo stabilen oprijem. Namesto da bi moral uporabnik razmišljati: "Zdaj bom kazalec malo bolj stisnil, zdaj pa bom sprostil palec," umetna inteligenca izračuna natančen položaj, ki ga potrebuje celotna roka, da drži predmet, ne da bi ga zmečkala ali spustila.
Podatki o bližini in tlaku se neprekinjeno vnašajo v nevronsko mrežo , ki v realnem času prilagaja gibanje prstov. Če predmet začne drseti, senzorji to zaznajo in sistem nekoliko poveča pritisk; če opazi, da se predmet deformira (na primer plastični lonček), zmanjša silo, da se ne zlomi.
Zaradi te senzorične integracije je bionična roka veliko bolj avtonomen sistem pri uravnavanju prijema, kar uporabnikove možgane razbremeni pomembnega dela naloge nenehnega spremljanja, ki so jo prej morali opravljati zavestno.
Kognitivna obremenitev: zakaj bionične roke tako utrujajo možgane
V vsakdanjem življenju je premikanje roke skoraj samodejno : zavestno ne izračunamo položaja vsakega prsta ali sile, ki jo uporabimo. Možgani se za prilagajanje prijema zanašajo na notranje modele in občutek dotika, in to počnejo z ogromno hitrostjo in nezavedno.
Pri običajnih robotskih protezah ta avtomatizacija praktično izgine . Uporabnik mora skrbno premisliti, katero gesto naj naredi, koliko sile naj uporabi, kdaj naj odpre in kdaj naj zapre, in to pogosto stori skoraj brez taktilnih informacij, ki bi ga vodile.
Posledica je ogromna duševna obremenitev : neintuitivno upravljanje, potreba po večkratni vadbi preprostih gibov in občutek, da bi lahko vsaka izguba koncentracije povzročila razbito steklo ali predmet na tleh. Ta scenarij pojasnjuje, zakaj toliko uporabnikov kljub napredni tehnologiji opusti protezo.
Sistem, ki ga je predlagala ekipa iz Utaha, si prizadeva ublažiti prav to kognitivno obremenitev . Z delegiranjem natančne nastavitve prijema na umetno inteligenco in uporabo senzorjev, ki simulirajo dotik, se lahko uporabnik osredotoči na celoten namen gibanja (prijem, držanje, sproščanje), namesto da bi nadzoroval vsako mikro podrobnost.
Avtorji študije poudarjajo, da ne želijo, da bi se oseba "borila" s strojem za nadzor nad svojo roko. Cilj je, da umetna inteligenca deluje kot okrepitev uporabnikovega naravnega nadzora, ne pa kot avtopilot, ki prevzema nadzor brez dovoljenja. Na ta način se spoštujejo pacientove želje, hkrati pa se bolniku odvzame del duševnega bremena.
Rezultati testov v resničnem svetu: večja natančnost, manj truda
Inteligentni bionični sistem rok je bil preizkušen z različnimi tipi uporabnikov : devetimi ljudmi brez amputacije (za potrditev upravljanja in vmesnika) in štirimi amputiranci z izgubo okončine med komolcem in zapestjem, tj. s protezami za podlakti.
Ti testi so vključevali zelo pogoste, a občutljive naloge , kot so držanje jajca brez razbitja, dvigovanje lista papirja brez trganja, pitje iz skodelice, manipuliranje z majhnimi predmeti ali dvigovanje skodelice za ročaj. To so primeri, kjer morata biti moč prijema in drža zelo natančni.
Udeleženci so pri uporabi sistema, ki ga poganja umetna inteligenca, pokazali očitno izboljšanje varnosti in natančnosti oprijema v primerjavi s konvencionalnimi, izključno človeškimi ali izključno avtomatiziranimi metodami nadzora. Poleg tega so raziskovalci med nalogami izmerili znatno zmanjšanje zaznane kognitivne obremenitve.
Najbolj presenetljiv vidik je, da so bili mnogi od teh gibov izvedeni brez predhodnega intenzivnega treninga . Z drugimi besedami, kombinacija senzorjev in nevronske mreže je uporabniku omogočila bolj naravno uporabo različnih stilov prijema že zelo zgodaj, ne da bi si moral zapomniti zapletene vzorce aktivacije mišic.
Pri amputiranih bolnikih so opazili tudi izboljšanje tako imenovane "fine motorične kontrole ", to je sposobnosti izvajanja natančnih in usklajenih gibov z majhnimi mišicami roke in prstov, ki so bistveni za dejavnosti, kot so pisanje, rokovanje s pripomočki, zapenjanje oblačil ali rokovanje s krhkimi predmeti.
Ali ima bionična roka z umetno inteligenco "svojo lastno glavo"?
V sporočilu za javnost Univerze v Utahu so govorili o tem, da bi roki dali "lastno glavo ", kar je presenetljiv izraz, ki je sprožil nekaj filozofskih in medijskih razprav. Ideja ni v tem, da je proteza zavestna, temveč da ima dovolj avtonomije, da sama upravlja del svojega gibanja.
V praksi bionična roka prejema informacije iz okolja, jih obdeluje in deluje, ne da bi moral uporabnik spremljati vsako mikroprilagoditev. Od zunaj se morda zdi, da se "odloča" sama, vendar v resnici izvaja splošne ukaze uporabnika na zelo sofisticiran način, pri čemer se zanaša na to, kar se je naučila med učenjem nevronske mreže.
Nekateri strokovnjaki za kognitivno nevroznanost, kot je Tamar Makin , so pokazali, da je odnos med možgani in protezami bolj zapleten, kot se je prej mislilo. Njihove študije nevrološkega slikanja kažejo, da proteze v možganih niso predstavljene natančno kot roke ali orodja, temveč ustvarjajo svoj lasten nevronski podpis, nekakšno "novo kategorijo".
Drugi raziskovalci, kot je Dani Clode z Univerze v Cambridgeu , raziskujejo proteze, ki ne le nadomeščajo, ampak tudi razširjajo zmogljivosti – na primer z dodajanjem drugega palca – pri čemer izkoriščajo plastičnost možganov za integracijo dodatnih elementov v telesno shemo, ne da bi morali 100-odstotno posnemati prvotno anatomijo.
Vse to sproža zanimiva vprašanja o tem, kako strojem in napravam pripisujemo zavest in sposobnost delovanja. Trenutno nimamo načina, da bi dokazali, da je umetna inteligenca zavestna, v primeru protez pa govorimo bolj o zelo sofisticiranih senzorično-motoričnih nadzornih sistemih kot o »umih« v ožjem pomenu besede.
Druge inovacijske smeri: hibridne roke, modularnost in gamifikacija
Utahova pametna roka ni edini močan napredek na tem področju . Druge raziskovalne skupine, kot je tista na Univerzi Johns Hopkins, delajo na hibridnih robotskih rokah, ki združujejo toge in mehke strukture, da bi bolje posnemale človeško anatomijo in manipulirale tako z občutljivimi kot težkimi predmeti.
Te hibridne roke običajno vključujejo notranjo 3D-natisnjeno strukturo iz gumijastih polimerov in fleksibilnih sklepov. To omogoča protezi, da se bolje prilagodi nepravilnim oblikam, različnim teksturam in različnim pritiskom, kar zagotavlja veliko bolj vsestranski oprijem.
Vključujejo tudi več plasti senzorjev na dotik, ki so navdahnjeni s človeško kožo in so sposobni zaznati stik, spremembe pritiska in zdrs. Ta »elektronska koža« omogoča roki, da zazna, če predmet začne drseti, in samodejno poveča silo, da prepreči njegov padec.
Vse to dopolnjujejo nadzorni sistemi, ki temeljijo na mišičnih signalih , kjer mišice podlakti pošiljajo ukaze umetnim prstom, umetna inteligenca in algoritmi strojnega učenja pa te signale pretvarjajo v naravne gibe. "Možgani" proteze interpretirajo, ali je nekaj trdo ali mehko, vroče ali hladno, stabilno ali bo zdrsnilo.
V testih z vsakdanjimi predmeti – plišastimi živalmi, gobami, steklenicami, storži ali plastičnimi skodelicami – so nekatere od teh rok dosegle skoraj 100-odstotno uspešnost pri manipuliranju z njimi, ne da bi jih deformirale ali zlomile. Posebej ilustrativen poskus je vključeval dvigovanje tanke plastične skodelice, polne vode, s samo tremi prsti, pri čemer je bil pritisk prilagojen z izjemno natančnostjo.
Medtem so se podjetja, kot je Open Bionics, osredotočila na uporabniško usmerjene rešitve , kot je linija Hero Arm, ki ponuja popolnoma brezžične, vodoodporne in prilagodljive bionične roke, zasnovane tako, da se veliko udobneje vključijo v vsakdanje življenje otrok, najstnikov in odraslih.
Te proteze upravljajo brezžične EMG elektrode (MyoPods), nameščene na ostanku uda ali podlakti, ki zaznavajo mišično aktivnost in jo pretvorijo v gibe bioničnih prstov. Ker so brezžične, omogočajo fizično ločitev roke od telesa in njeno ponovno povezavo ter celo pritrditev športnih pripomočkov z istim standardnim sistemom sidranja.
Ključna je tudi čustvena in motivacijska komponenta . Nekatera zagonska podjetja so razvila modularne in relativno cenovno dostopne roke, zasnovane predvsem za otroke, ki rastejo z njimi: dele je mogoče zamenjati z večjimi, ko se otrokovo telo spreminja, kar zmanjša stroške zamenjave celotnih protez vsakih nekaj let.
Da bi bilo učenje uporabe proteze manj naporno , so bila ustvarjena okolja virtualne resničnosti, kot je VREHAB, kjer otroci vadijo gibe s svojo bionično roko skozi igre, kot je »plezanje po stavbah kot superheroj«. Ko se izboljšajo, zaslužijo točke, terapevti pa lahko na daljavo spremljajo njihov napredek.
Prilagodljiva estetika uporabniku pomaga tudi pri občutku lastništva proteze : zahvaljujoč 3D-tiskanju so na voljo modeli, ki jih navdihujejo superjunaki, futuristični slogi ali zaključki, ki se ujemajo z mladinsko modo. To bionično roko spremeni v več kot le medicinski pripomoček, temveč jo spremeni tudi v element identitete.
Proti nadzoru misli in dotiku "nazaj" možganov
Vodilne raziskovalne skupine načrtujejo, da bodo v bližnji prihodnosti te pametne roke združile z vsajenimi nevronskimi vmesniki, tako da bo protezo mogoče neposredno nadzorovati z možgansko aktivnostjo, namesto da bi se zanašali zgolj na signale površinskih mišic.
Cilj je, da se bionična roka odzove skoraj tako hitro in naravno kot biološka roka, kar dodatno zmanjša kognitivno obremenitev. Če uporabnik pomisli na zaprtje roke, bi morala proteza sprožiti gibanje, ne da bi moral namerno krčiti mišico ali izvajati naučene vzorce.
Hkrati potekajo dela za vrnitev občutka dotika v uporabnikov živčni sistem: senzorji pritiska in bližine proteze bi lahko pošiljali kodirane signale, ki se prevedejo v občutke stika, teksture ali sile, zaznane v možganih, in se približujejo pravi senzorični povratni informaciji.
Raziskovalci, kot je Jacob A. George, poudarjajo, da je ta smer raziskav del širše vizije za izboljšanje kakovosti življenja ljudi z amputacijami z integracijo inteligentnih protez, nevronskih vmesnikov in naprednih senzoričnih sistemov v koherenten ekosistem.
Čeprav so pred nami še leta razvoja in kliničnih preskušanj , trenutni rezultati kažejo, da je že mogoče, da preproste naloge, kot je pitje iz plastične skodelice, prenehajo biti naporen izziv in se postopoma zdijo tako naravne kot pred amputacijo.
Vse kaže na to, da bionične roke z umetno inteligenco ne bodo več znanstvena fantastika in bodo postale praktično orodje, ki zmanjšuje miselni napor, obnavlja fino motoriko in širi možnosti interakcije z okoljem, od varnega držanja skodelice ali jajca do objemanja nekoga brez strahu, da bi ga poškodovali.
