Konenäppäin ohjattava robotti – tutkimus yhdistää koneoppimisen ja ihmisaivot

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausannen tutkijat ovat kehittäneet koneoppimisohjelman, joka voidaan yhdistää ihmisaivoihin ja käyttää robottien ohjaamiseen. Ohjelma voi muuttaa robotin liikkeitä aivojen sähköisten signaalien perusteella.

Nämä uudet edistysaskeleet voivat auttaa tetraplegia-potilaita, jotka eivät pysty puhumaan tai liikkumaan. Se perustuu laajasti tehtyyn työhön, jossa on kehitetty järjestelmiä, jotka auttavat näitä potilaita suorittamaan tehtäviä itsenään.

Tutkimus on julkaistu Communications Biology-julkaisussa.

Prof. Aude Billard on EPFL:n Learning Algorithms and Systems Laboratoryn johtaja.

“Selkärankavamman saaneet ihmiset usein kokevat pysyviä neurologisia vammoja ja vakavia lihasvammoja, jotka estävät heitä suorittamasta edes yksinkertaisia tehtäviä, kuten esineen tarttumista”, Billard sanoo. “Robottien avustus voi auttaa näitä ihmisiä saamaan takaisin osan menetetyistä taitoistaan, koska robotti voi suorittaa tehtäviä heidän puolestaan.”

Liikuttaminen ajatuksin

Yhdessä José del R. Millánin ja kahden tutkimusryhmän kanssa Prof. Billard kehitti tietokoneohjelman, joka ei tarvitse ääniohjausta tai kosketusfunktiota. Potilaat voivat liikuttaa robottia vain ajatuksillaan.

Tutkijat alkoivat kehittää järjestelmää perustamalla sen vanhaan robottiin, joka oli kehitetty vuosia sitten. Se voi liikkua edestakaisin oikealta vasemmalle, uudelleenjärjestää esineitä edessään ja kiertää esteitä tiellään.

“Tutkimuksessamme ohjelmme robotti välttämään esteitä, mutta voisimme valita minkä tahansa muun tehtävän, kuten lasin täyttämisen vedellä tai esineen työntämisen tai vetämisen”, Prof. Billard sanoo.

Tutkijat paransivat sitten robotin mekanismia esteiden välttämiseksi, jotta se olisi tarkempi.

Carolina Gaspar Pinto Ramon Correia on PhD-opiskelija Prof. Billardin laboratoriossa.

“Aluksi robotti valitsi polun, joka oli liian leveä joillekin esteille, ja se meni liian kauas, ja liian kapea muille esteille, ja se pysyi liian lähellä”, Correia sanoo. “Koska robotin tavoitteena oli auttaa halvaantuneita potilaita, meidän piti löytää keino, jolla käyttäjät voivat viestiä sen kanssa ilman puhumista tai liikkumista.”

Algoritmin kehittäminen

Tätä varten heidän piti kehittää algoritmi, joka voi muuttaa robotin liikkeitä vain potilaan ajatuksien perusteella. Algoritmi kiinnitettiin päässä olevaan hattuun, jossa on sähködetektorit aivojen sähköisten signaalien tutkimiseksi.

Potilas tarvitsee vain katsoa robottia, jotta voi käyttää järjestelmää. Kun robotti tekee virheen, potilaan aivot lähettävät “virheilmoituksen” selvästi tunnistettavan signaalin, joka kertoo robotille, että se tekee väärän toimen. Robotti ei ymmärrä aluksi, miksi se saa signaalia, mutta virheilmoitus syötetään algoritmiin. Algoritmi käyttää käänteistä vahvistusoppimista, jotta se voi selvittää, mitä potilas haluaa ja mitä toimia robotti tulisi suorittaa.

Kokeileva prosessi tarkoittaa, että robotti kokeilee eri liikkeitä, jotta se voi selvittää, mikä on oikein, ja yleensä vain 3-5 yritystä tarvitaan, jotta se voi selvittää oikean vastauksen.

“Robotin tekoälyohjelma oppii nopeasti, mutta sinun on kerrottava sille, kun se tekee virheen, jotta se voi korjata käyttäytymisensä”, Prof. Millán sanoo. “Virhesignaaleiden havaitsemisteknologian kehittäminen oli yksi suurimmista teknisistä haasteista, joita kohtasimme.”

Iason Batzianoulis on tutkimuksen pääkirjoittaja.

“Se, mikä oli erityisen haastavaa tutkimuksessamme, oli potilaan aivotoiminnan yhdistäminen robotin ohjausjärjestelmään – tai toisin sanoen ‘kääntäminen’ potilaan aivosignaaleja robotin suorittamaksi toiminnoksi”, Batzianoulis sanoo. “Teimme sen käyttämällä koneoppimista, jotta voimme yhdistää tietyn aivosignaalin tiettyyn tehtävään. Sitten me yhdistimme tehtävät yksittäisiin robotin ohjausjärjestelmiin, jotta robotti tekee sen, mitä potilas haluaa.”

Tutkijat uskovat, että algoritmi voidaan lopulta käyttää pyörätuolien ohjaamiseen.

“Tällä hetkellä on edelleen paljon insinööritieteellisiä esteitä, jotka on voitettava”, Prof. Billard sanoo. “Ja pyörätuolit asettavat kokonaan uuden joukon haasteita, koska sekä potilas että robotti ovat liikkeessä.”