ساخت نخستین بازوی رباتیک با امکان کنترل‌ توسط مغز انسان

گروهی از پژوهشگران دانشگاه کارنگی ملون با همکاری دانشگاه مینه‌سوتا به پیشرفت مهمی در زمینه‌ی ابزار رباتیک با رابط غیرمستقیم (بی‌نیاز از جراحی و نصب داخل بدن) دست یافته‌اند. توانایی کنترل ابزار رباتیک با ارتباط غیرمستقیم توسط مغز، موجب کاربرد وسیع آن‌ها مخصوصا در زندگی بیماران معلول و دارای اختلالات حرکتی می‌شود.

تجهیزات BCI‌ با نام کامل Brain computer interface (رابط کامپیوتری مغز) کاربرد خوبی برای کنترل ابزار رباتیک با استفاده از سیگنال‌های دریافتی از حسگرهای کاشته‌شده در مغز داشته است. هنگامی‌‌که ابزار رباتیک با دقت بالا کنترل شود، می‌توان از آن‌ برای انجام کارهای روزانه استفاده کرد. تابه‌حال BCI‌ها از حسگرهای کاشته‌شده در مغز برای کنترل بازو‌های رباتیک استفاده می‌کردند؛ اما کاشت‌ حسگرها نیازمند مهارت بسیار بالا در پزشکی و جراحی است، همچنین علاوه‌بر هزینه زیاد، خطری بالقوه متوجه فرد خواهد بود. ازین‌رو استفاده از آن‌ها محدود به چند مورد معلولیت بالینی بوده است.

چالش بزرگی که پژوهشگران درمورد BCI‌ها با آن مواجه هستند، توسعه فناوری بی‌نیاز از جراحی یا حتی کاملا غیرمستقیم است تا بیماران فلج بتوانند از آن برای کنترل محیط اطرافشان استفاده کنند یا عضو‌های رباتیکی داشته باشند که با ذهن خودشان کنترل شود. چنین تجهیزاتی با ارتباط غیرمستقیم با مغز، اگر آزمایش موفقیت‌‌آمیزی داشته باشند، برای بیماران و حتی عموم مردم بسیار مفید خواهند بود.

با‌این‌حال BCI‌های غیرکاشتی که سیگنال‌ها را به کمک تجهیزات خارجی دریافت می‌کنند، دقت کم‌تری دارند. بنابراین در هنگام کنترل یک بازوی رباتیک توسط مغز، BCI‌ به ابزار کاشته‌شده داخل بدن متوسل نمی‌شود. با این حال، پژوهشگران BCI مطالعه‌ی خود را روی فناوری‌های بی‌نیاز از کاشت یا کاملا غیرکاشتی برای کمک‌رسانی به معلولان متمرکز کرده‌اند. بین هی، رئیس و پروفسور دپارتمان مهندسی‌پزشکی دانشگاه کارنگی ملون در‌حال تلاش برای دستیابی به این هدف است. هی می‌گوید:

پیشرفت‌های بزرگی‌ به‌وسیله‌ی کاشت‌های رباتیک وجود‌ داشته، این یک علم عالی است؛ اما هدف نهایی، غیرکاشتی کردن روش مذکور است. پیشرفت در رمزگشایی عصبی و قابلیت‌های کاربردی کنترل بازوی رباتیک بدون حسگرهای کاشته‌شده داخل بدن، اهمیت زیادی در توسعه ربات‌های عصبی خواهد داشت.

هی و گروهش با استفاده از حسگر‌های جدید و تکنیک‌های نوظهور فراگیری ماشین‌ها توانسته‌اند به سیگنال‌های عمیق در مغز و روش کنترل بازو‌های رباتیک با دقت بالا دست یابند. به کمک تصویربرداری عصبی غیرکاشتی و یک نمونه جدید در حال پیگیری، محققان بر سیگنال‌های نوار مغزی (EEG) غلبه کرده و توانسته‌اند رمزگشایی عصبی مبتنی‌بر نوار مغزی را بهبود ببخشند. این فناوری، همچنین کنترل مداوم ابزار رباتیک در محیط دوبعدی را تسهیل می‌کند.

با استفاده از یک BCI غیرکاشتی برای کنترل بازوی روباتیک که در‌حال دنبال کردن یک مکان‌نما روی صفحه کامپیوتر است، برای اولین‌بار در آزمایش روی یک نمونه‌ی انسانی، ثابت شد یک بازوی روباتیک می‌تواند به‌طور مداوم مکان‌نما را دنبال کند؛ قبلا حرکت بازوهای کنترل‌شونده توسط انسان به‌صورت غیر تهاجمی، نامنظم و گسسته حرکت می‌کردند، به‌گونه‌ای که احساس می‌شد ربات در حال چنگ انداختن به دستورها مغز است اما در این نمونه کاملا یک‌نواخت و مداوم حرکت می‌کند.

گروه تحقیقاتی در مقاله‌ای منتشرشده در مجله‌ی علم رباتیک (Science Robotics)، چارچوب جدیدی را ایجاد کردند که موجب بهبود ارتباط مغز و کامپیوتر به‌عنوان اجزای BCI به وسیله افزایش اشتغال و تمرین کاربر و همچنین رزولوشن فضایی داده‌های عصبی غیرکاشتی ازطریق تصویربرداری منبع نوار مغزی می‌شود.

در مقاله‌ای با عنوان «تصویربرداری عصبی غیرکاشتی باعث هموارتر شدن پیگیری امواج عصبی به منظور کنترل ابزار رباتیک می‌شود»، رویکرد منحصربه‌فرد تیم برای حل این مشکل نه‌تنها باعث افزایش ۶۰ درصدی فراگیری BCI برای تمرکز بر وظایف مرسوم شده بلکه دنبال کردن مکان‌نمای کامپیوتر به‌صورت مداوم را حدود ۵۰۰ درصد بهبود بخشیده است.

این فناوری می‌تواند با ارائه‌ی کنترل ذهنی ایمن و غیرکاشتی روی ابزاری که به تعامل مردم با محیط اطرافشان کمک می‌کند، به گستره‌ی وسیعی از آن‌ها خدمات دهد. فناوری جدید BCI که روی ۶۸ نمونه انسانی و هر کدام در مدت ۱۰ جلسه آزمایش شده است، به‌روز بوده و شامل کنترل مجازی ابزار و تعقیب هموار و مداوم توسط یک بازوی رباتیک می‌شود. این فناوری برای بیماران و معلولان مناسب خواهد بود و در آینده نزدیک آزمایش‌ها بالینی از آن به عمل می‌آید.

هی می‌گوید:

برخلاف چالش‌های تکنیکی در استفاده از سیگنال‌های غیرکاشتی، ما کاملا متعهد شده‌ایم که یک فناوری ارزان و ایمن را برای کسانی‌که نیازمند آن هستند به ارمغان آوریم. این کار یک قدم مهم در اتصال غیرمستقیم کامپیوتر به مغز است؛ اختراعی که ممکن است روزی به یک فناوری همه‌گیر برای کمک به همه، مثل گوشی‌های هوشمند تبدیل شود.

حمایت این پروژه را مرکز ملی تکمیل‌کننده و یکپارچه‌سازی سلامت، مؤسسه‌ی ملی آسیب‌ها و اختلالات عصبی، مؤسسه‌ی ملی تصویربرداری زیست‌پزشکی و مهندسی پزشکی و مؤسسه‌ی ملی سلامت روان امریکا برعهده داشته است.