Program komputerowy z uczeniem maszynowym łączy się z ludzkim mózgiem i kontroluje roboty

Naukowcy z Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne opracowali program komputerowy z uczeniem maszynowym, który może być podłączony do ludzkiego mózgu i służyć do kontrolowania robota. Program może zmieniać ruchy robota na podstawie sygnałów elektrycznych z mózgu.

Te nowe osiągnięcia mogą pomóc pacjentom z tetraplegią, którzy nie są w stanie mówić ani wykonywać ruchów. Rozwija się w oparciu o wiele wcześniejszych prac nad systemami, które pomagają tym pacjentom wykonywać zadania samodzielnie.

Badanie zostało opublikowane w Communications Biology.

Prof. Aude Billard jest kierownikiem Laboratorium Algorytmów i Systemów Uczących się w EPFL.

“Ludzie z urazem rdzenia kręgowego często doświadczają trwałych deficytów neurologicznych i ciężkich niepełnosprawności ruchowych, które uniemożliwiają im wykonywanie nawet najprostszych zadań, takich jak chwytanie obiektu”, powiedział Billard. “Pomoc ze strony robotów mogłaby pomóc tym ludziom odzyskać część utraconej zręczności, ponieważ robot może wykonywać zadania w ich imieniu”.

Poruszanie robota myślami

Wraz z José del R. Millán, Prof. Billard i dwie grupy badawcze opracowały program komputerowy, który nie wymaga kontroli głosowej ani dotyku. Pacjenci mogą poruszać robotem tylko swoimi myślami.

Naukowcy zaczęli rozwijać system, bazując na ramieniu robota, które zostało opracowane wiele lat temu. Może ono poruszać się w przód i w tył, z prawej na lewą, a także przesuwać obiekty przed sobą i omijać przeszkody na swojej drodze.

“W naszym badaniu zaprogramowaliśmy robota, aby unikał przeszkód, ale moglibyśmy wybrać każde inne zadanie, takie jak napełnienie szklanki wodą lub pchanie lub ciągnięcie obiektu”, mówi Prof. Billard.

Naukowcy udoskonalili mechanizm robota, aby uniknął przeszkód w sposób bardziej precyzyjny.

Carolina Gaspar Pinto Ramon Correia jest doktorantką w laboratorium Prof. Billarda.

“Na początku robot wybierał ścieżkę, która była zbyt szeroka dla niektórych przeszkód, zmuszając go do oddalenia się, i zbyt wąska dla innych, pozostawiając go zbyt blisko”, mówi Correia. “Ponieważ celem naszego robota było pomaganie pacjentom sparaliżowanym, musieliśmy znaleźć sposób, aby użytkownicy mogli komunikować się z nim bez konieczności mówienia lub poruszania się”.

Opracowanie algorytmu

Aby to osiągnąć, musieli opracować algorytm, który mógłby dostosować ruchy robota tylko na podstawie myśli pacjenta. Algorytm został podłączony do czapki z elektrodami do przeprowadzania badań EEG aktywności mózgu pacjenta.

Pacjent musi tylko spojrzeć na robota, aby użyć systemu. Kiedy robot wykonuje nieprawidłowy ruch, mózg pacjenta emituje “wiadomość o błędzie” przez sygnał, który wskazuje robotowi, że wykonuje błędną akcję. Robot nie rozumie na początku, dlaczego otrzymuje sygnał, ale wiadomość o błędzie jest następnie wprowadzana do algorytmu. Algorytm używa podejścia uczenia się wstecznego, aby ustalić, co pacjent chce i jakie akcje robot powinien wykonać.

Proces prób i błędów oznacza, że robot próbuje różnych ruchów, aby zobaczyć, który jest prawidłowy, i zwykle wymaga tylko trzech do pięciu prób, aby ustalić odpowiednią odpowiedź.

“Program AI robota może uczyć się szybko, ale trzeba mu powiedzieć, kiedy popełnia błąd, aby mógł skorygować swoje zachowanie”, mówi Prof. Millán. “Rozwój technologii wykrywania sygnałów błędów był jednym z największych wyzwań technicznych, z którymi się zetknęliśmy”.

Iason Batzianoulis jest głównym autorem badania.

“Co było szczególnie trudne w naszym badaniu, to połączenie aktywności mózgu pacjenta z systemem kontroli robota – czyli ‘tłumaczenie’ sygnałów mózgu pacjenta na akcje wykonywane przez robota”, mówi Batzianoulis. “Zrobiliśmy to, używając uczenia maszynowego, aby połączyć dany sygnał mózgu z konkretnym zadaniem. Następnie skojarzyliśmy zadania z indywidualnymi kontrolami robota, aby robot wykonywał to, co pacjent ma na myśli”.

Naukowcy wierzą, że algorytm może być w przyszłości użyty do kontrolowania wózków inwalidzkich.

“Na razie jest jeszcze wiele przeszkód inżynierskich do pokonania”, mówi Prof. Billard. “A wózki inwalidzkie stawiają zupełnie nowy zestaw wyzwań, ponieważ zarówno pacjent, jak i robot są w ruchu”.