造福众生的,能靠意念操控的机械臂来了!

机器人大讲堂2018-11-07 16:40:46


今天为大家介绍四个可以用意念控制的机械臂,

它们犹如天使的翅膀,使迫切需要它们的人重获新生!

同时,肢体健康的人通过这些机械臂也能体验到“意念操控”的乐趣……


7岁失臂女孩珍妮


这个名叫Eason的19岁的男孩,用了5年时间,凭借一己之力,突破重重困难,

成功研发出了可意念控制的机械手臂,被媒体誉为“下一个比尔盖茨或乔布斯”。

不仅在白宫受到奥巴马的亲自接见,还接到了NASA的工作邀约。

而他所做的一切,仅仅是为了帮助一个小女孩。



那时Eason还只有14岁,遇到了生来没有手臂的7岁女孩珍妮,

对设计、电子和编程几乎一无所知的他,凭借信念和兴趣从零开始,

一头扎进车库,只为改变小女孩的生活。

Easton的发明历经了无数次迭代,

从韧带材料选择到肌肉动力来源,从3D打印到操控方式的优化,

从机械臂的三维设计,到电子元件与编程

他不断收集残障人士的反馈,一次又一次优化改进

在第四版的产品中,在专家们的蔑视、嘲笑和不看好中,

用3个月时间攻克了世界级难题——用脑电波控制手臂。

这款机械臂功能强大,基本可以完成一系列高难度动作。


握手、抓取物体


传球


Easton的发明除了螺丝、齿轮等零件几乎都可以用3D打印制作出来,

将义肢的成本从80000多美元降低至500美元,并在网上公开了程序代码,

让所有人都能通过网络下载,从而帮助更多的残障人士。



高位截瘫患者简·舒尔曼



上图机械的发明者来自匹兹堡大学医学中心,是珍妮弗·L·克林格博士率领的研究团队。

他们帮这位53岁的高位截瘫患者简·舒尔曼,成功掌握了用大脑控制机械臂,

进而完成一系列复杂手部动作的技能。



比如用大脑控制手臂抬起来,和边上的研究人员握个手。



慢慢地将手臂移过去,张开手,捡起放在桌上的小球。



将物品递给身边的珍妮弗博士,举起来,再松开手,



完成这些动作,需要用到4mmx4mm大小、具备96个微型触点的电子芯片,



在芯片通过手术植入患者大脑之前,研究者们会利用成像技术,详细分析患者大脑的功能区域,找出大脑中控制手臂及手掌的区域。

与芯片相连的接口会被留在外面,人脑会以生物电信号的形式控制肢体,

植入大脑的芯片捕捉到电信号以后,通过接口传送给计算机,对信号加以解析,

随后计算机命令机械臂做出相应的动作。



失去部分肢体的猴子


在研究大脑与机械臂互连互通的领域,芝加哥大学的尼古拉斯·海佐波勒斯教授,

曾在猴子身上用同样的原理做过对照实验,

研究由于肢体残缺而长期闲置的大脑职能,

有没有可能在机械手臂的训练下,重新启用甚至恢复。



试验一共选取了三只因故失去部分肢体的猴子,并将它们分为两组,

命名为Monkey-Z的一组,

芯片植入在有完整肢体那一侧的大脑皮层。

而命名为Monkey-K的一组,

芯片植入在肢体缺失那一侧的大脑皮层。



下图简略显示了植入芯片的大脑皮层当中,

相应神经网络连接的密度与强度。

可以很清晰地看到,

最终两组猴子的神经网络都得到了增强。



也就是说,经过大量地使用大脑操纵机械臂后,

原本因为失去肢体而退化的神经连接,

重新恢复了部分功能,

并且可以训练大脑进行一些之前没做过的任务,

这深刻地显示了大脑的适应性和神经的可塑性。

下图为猴子在用大脑直接操控机械臂。



在2016年,该实验中心又招募了新的志愿者来开展研究。

高位截瘫患者内森·科普兰是其中一员,

通过一项叫做皮层内微刺激的技术,

研究人员利用植入大脑内部的芯片,

成功绕过脊柱,直接对大脑释放触觉电信号,

以此让内森的大脑产生「触觉」的感觉。



但是随着训练次数的增多和大脑的恢复,

内森现在可以感受到手上的压力,

并在一定程度上感知到压力的强弱了。

将眼睛蒙上以后,研究人员触碰手指,

内森可以清楚地说出被触摸的是哪一根。



兹堡大学的研究人员们表示,

它们最终的目标是做成一个完全仿真的机械手臂,

有触觉,能感觉温度,还能自由操作。


首例无需植入芯片的普通人


美国明尼苏达大学的研究者在去年年底取得了一项重大突破,

让普通人在没有植入大脑电极的情况下,

只凭借“意念”,在复杂的三维空间内实现物体控制,

包括操纵机器臂抓取、放置物体和控制飞行器飞行。



该研究成果有望帮助上百万的残疾人和神经变性疾病患者。

相关论文已经在 Nature 旗下期刊 Scientific Reports 以开放获取的方式发表。


受试者只需要通过想象,他们就能真实地移动机械臂。

这项研究基于脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)技术,

通过一顶包含了64个电极的 EGG 帽子

记录受试者大脑中的微弱电流活动。

随后,这些信号会被输入一台计算机,通过先进的信号处理技术和机器学习算法,

将记录下来的这些“思维信号”转化为行动。



所有参与实验的人都能保持抓取物体的成功率在 80% 以上,

在把物体放回到货架上的成功率超过 70%。


(试验设置:在15个 session 中,受试者需要对物体依次实现不同级别的控制:仅控制虚拟鼠标,用机械臂抓取四个物体、五个物体、以及随机在货架上抓取目标物体。来源:论文)


下面视频展示了受试者头戴EGG帽,控制飞行器在复杂的三维空间中飞行及其原理。



意念控制最初是指人的大脑有意识地控制自身的言语和行为。

而在20世70年代,研究人员提出了用意念支配机械,

以帮助四肢残疾和脊髓受损的人重新行走和支配上肢的行为。

但是,这个提法的术语准确地说并非是意念控制,而叫脑机接口,

脑机接口(BCI)技术旨在提供人类大脑和外部设备之间连接的桥梁。

今天介绍的这四个机械臂都是脑机接口的应用,而最后一个表明了使用非侵入性BCI技术对假肢进行人为操作的可行性。

 

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