211service.com
Piano spelen met een robothand
Door rechtstreeks gebruik te maken van de elektrische signalen van de hersenen, zijn wetenschappers van de John's Hopkins University in Baltimore op weg om een handprothese te ontwikkelen die handiger is dan ooit tevoren. Ze hebben voor het eerst aangetoond dat neurale activiteit die wordt geregistreerd vanuit de hersenen van een aap de vingers van een robothand kan besturen, waardoor deze verschillende noten op een piano speelt.
Robothand: Wetenschappers ontwikkelen een neurale interface die signalen in de hersenen kan gebruiken om vingers van een robothand te besturen, zoals hier getoond.
We hopen dat we uiteindelijk soortgelijke arrays permanent kunnen implanteren in de motorische cortex van menselijke proefpersonen, zegt Mark Schieber , een neurowetenschapper aan de Universiteit van Rochester, in New York, die aan het project werkt. Onderzoekers waarschuwen echter dat een praktische menselijke versie van de neurale interface nog ver weg is.
De meeste prothetische handen die momenteel beschikbaar zijn, zijn beperkt tot een klauwachtige grijpbeweging. Een aanzienlijk verbeterde versie, die vorige week op de markt kwam, maakt gebruik van spiersamentrekkingen in de armen om de vingers individueel te controleren. (Zie Een hand voor de gewonden.) Hoewel dit soort ontwerp een enorme zegen is voor geamputeerden, vereist het vertalen van hun intentie om via spieractiviteit in actie te komen een bewuste inspanning. Op de lange termijn willen wetenschappers een prothese ontwikkelen die moeiteloos wordt aangestuurd door de gedachten van de gebruiker. Als je de hersenen kunt aanboren, kun je vanuit de hersenen zelf de intentie van hand- en vingerbewegingen opnemen, zegt Nitish Thakor , een neuro-ingenieur bij John's Hopkins, die aan het project werkt.
Tot nu toe hebben wetenschappers neurale interfaces gemaakt waarmee apen - en verlamde patiënten, in een paar experimentele gevallen - hun hersenactiviteit kunnen gebruiken om te reiken en te grijpen met een robotarm. (Zie Hersenchips geven verlamde patiënten nieuwe krachten .) De meer geavanceerde handprothesen die momenteel worden gemaakt, vereisen echter een nauwkeuriger controleniveau. Met de ontwikkeling van de zeer behendige handprothese hebben we nu een motivatie om te proberen individuele vingers te controleren, zegt Thakor.
multimedia
Bekijk de vertaling van neurale activiteit in robotachtige vingerbewegingen.
Kijk hoe een robothand, bestuurd door neurale activiteit, 'Frère Jacques' speelt.
Om de neurale interface te maken, registreerden onderzoekers hersencelactiviteit van apen terwijl ze hun vingers op verschillende manieren bewogen. (Er is eerder aangetoond dat een bepaald deel van de motorische cortex de beweging van de vingers controleert.) De wetenschappers creëerden vervolgens algoritmen om deze hersensignalen te decoderen door de specifieke activiteitspatronen te identificeren die aan bepaalde bewegingen zijn gekoppeld. Toen het decoderingssysteem werd verbonden met een robothand en nieuwe neurale activiteitspatronen voedde, voerden de vingers van de hand 95 procent van de tijd de beoogde beweging uit. De bevindingen zijn buitengewoon bemoedigend, zegt Krishna Shenoy , een neurowetenschapper aan de Stanford University die niet betrokken is bij het onderzoek. De onderzoekers presenteerden hun bevindingen op een conferentie over neurale engineering eerder dit jaar.
Deze eerste experimenten zijn offline uitgevoerd, wat betekent dat hersenactiviteit werd geregistreerd en op een later tijdstip in het systeem werd ingevoerd. Maar onderzoekers plannen een live demonstratie binnen de komende zes maanden. Apen die zijn geïmplanteerd met een reeks opname-elektroden, worden rechtstreeks aangesloten op een virtuele versie van een prothetische arm, die momenteel in ontwikkeling is. Wetenschappers zullen vervolgens bepalen hoe goed deze dieren, die zijn getraind om specifieke handbewegingen uit te voeren, hun hersenactiviteit kunnen gebruiken om de virtuele hand in realtime te besturen.
Hoewel de voorlopige resultaten opwindend zijn, hebben wetenschappers nog een lange weg te gaan voordat ze de echte behendigheid van de hand kunnen nabootsen. Elke vinger heeft drie of vier vrijheidsgraden die moeten worden gecontroleerd: flexie en extensie bij elk van de drie gewrichten, evenals adductie en abductie, zegt Schieber. Daarbij komt nog de complexiteit van het bewegen van vijf individuele vingers, soms in koor en soms onafhankelijk.
Wetenschappers weten nog niet of het decoderingssysteem dat ze hebben gebouwd in staat zal zijn om unieke acties uit te voeren - bewegingen die geen deel uitmaakten van het originele repertoire dat werd gebruikt om de decoder te maken. Op de lange termijn willen we dat [de aap] alles kan doen wat hij op dat moment kan bedenken, zegt Schieber. Maar het decoderingsalgoritme zo laten generaliseren is een andere uitdaging.