Vědci vyvinuli chytrou umělou ruku kombinující uživatelskou kontrolu a automatizaci

Vědci z Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne pracují na nových způsobech, jak zlepšit kontrolu robotických rukou, zejména pro amputované. Vyvinuli způsob, jak kombinovat individuální kontrolu prstů a automatizaci, aby zlepšili uchopení a manipulaci. Otestovali tuto myšlenku neuroinženýrství a robotiky na třech amputovaných a sedmi zdravých lidech. Výsledky studie byly publikovány v Nature Machine Intelligence.

Tato nově vyvinutá technologie kombinuje dvě samostatné oblasti pro kontrolu robotických rukou. Jedná se o něco, co nebylo dosud provedeno, a je to součástí nového oboru sdílené kontroly v neuroprotezice.

Jedna z nových koncepcí pochází z neuroinženýrství. Úmyslné pohyby prstů jsou identifikovány čtením svalové aktivity na amputovaném stumpsu. To se pak používá pro individuální kontrolu prstů protetické ruky. Druhá koncepce pochází z robotiky. Robotická ruka je schopna uchopit objekty a udržet je v kontaktu uchopením.

“Když držíte objekt v ruce a začne sklouznout, máte pouze několik milisekund na reakci,” vysvětluje Aude Billard, který vede EPFL’s Learning Algorithms and Systems Laboratory. “Robotická ruka má schopnost reagovat do 400 milisekund. Je vybavena tlakovými senzory podél prstů, může reagovat a stabilizovat objekt, než mozek vůbec registruje, že objekt sklouznul.”

Proces začíná algoritmem, který se učí rozluštit uživatelskou intenci a poté ji překládá do pohybu prstů protetické ruky. Aby k tomu došlo, musí amputovaný nejprve vyškolit algoritmus, který používá strojové učení, provedením série pohybů rukou. Senzory jsou použity na amputovaném stumpsu a mohou detekovat určitou svalovou aktivitu. Algoritmus se poté učí a spojuje pohyby rukou a jejich odpovídající svalovou aktivitu. Nakonec algoritmus zná uživatelské záměrné pohyby prstů a poté lze individuálně ovládat prsty protetické ruky.

Katie Zhuang je prvním autorem publikace. Hovořila o algoritmu strojového učení.

“Protože svalové signály mohou být šumivé, potřebujeme algoritmus strojového učení, který extrahuje významnou aktivitu z těchto svalů a interpretuje je do pohybů,” řekla.

Vědci poté inženýrsky upravili algoritmus, aby když uživatel pokusí uchopit objekt, iniciuje se robotická automatizace. Algoritmus přenese signál protetické ruce, aby uzavřela prsty a uchopila objekt, když objekt přijde do kontaktu se senzory. Senzory jsou umístěny na povrchu protetické ruky. Vědci vytvořili tento nový systém na základě adaptace z předchozí studie. V té studii byly navrženy robotické paže, aby identifikovaly tvar objektů a poté je uchopily. To provedly pouze na základě taktilních informací, aniž by se spoléhaly na vizuální signály.

Ještě existují výzvy předtím, než může být tato technologie účinně použita mezi lidmi a stane se komerčně životaschopnou možností pro amputované, kteří hledají protetické ruce. Nicméně tato technologie je obrovským krokem vpřed v oboru a bude dále rozvíjet myšlenku slučování lidského a robotického. V současné době je algoritmus stále testován na robotovi.

“Náš sdílený přístup ke kontrole robotických rukou by mohl být použit v několika neuroprotezických aplikacích, jako jsou bionické protetické ruce a rozhraní mozek-stroj, čímž se zvýší klinický dopad a použitelnost těchto zařízení,” říká Silvestro Micera, předseda Bertarelli Foundation Chair in Translational Neuroengineering na EPFL a profesor bioelektroniky na Scuola Superiore Sant’Anna.