Для легендарного джедая Люка Скайвокера втрата руки в поєдинку з Дартом Вейдером залишалася трагедією лише протягом п'яти хвилин: в наступній же сцені він обзавівся досить досконалим протезом. В реальності про таке можна тільки мріяти, але вчені працюють над тим, щоб це стало реальністю.
До недавнього часу протези прикріплялися до людського тіла механічно і не мали ніякого зв'язку з нервовою системою. Вони могли згинатися в своїх залізних шарнірах-суглобах, але для виконання кожного руху власнику потрібно було тим або іншим чином регулювати поведінку свого протеза, вручну забезпечуючи зворотний зв'язок. Таким чином людина сигналізував своїй нозі, що попереду калюжа і її потрібно обійти, а руці - що потрібно акуратно взяти яйце і приготувати яєчню або, навпаки, міцно затиснути в руці інструмент. Щоб навчити людину керувати новою кінцівкою таким чином, потрібно довгий час, та й набір команд був досить обмеженим, тому дрібна моторика залишала бажати кращого.
Але вчені, натхненні уявою письменників-фантастів, змогли зробити неймовірне - приєднати механічну руку до людської нервовій системі.
думка експерта
Тимур Бергаліо, завідувач лабораторією прикладних кібернетичних систем Московського фізико-технічного інституту, керівник проекту GalvaniBionix: «Для управління протезами ми розробляємо технологію, яка підлаштовується під індивідуальність людини. На культі ми розміщуємо не одну пару електродів, як це зазвичай робиться, а кілька. Чим більше електродів ми використовуємо, тим більшу вибірку сигналів для аналізу отримаємо. Так, таким чином ми сильно ускладнюємо роботу комп'ютера, оскільки процесору складніше аналізувати безліч сигналів. Але зате значно спрощується життя пацієнта ».
на перехоплення
Коли людині без руки хочеться поворухнути пальцем, мозок генерує відповідний сигнал, який йде по нервах, що веде до м'язам кінцівки. Але, оскільки рука відсутня, сигнал йде «в порожнечу». Але що, якщо десь по шляху «перехопити» нервові імпульси і на цій основі після аналізу і обробки даних сформувати команди управління роботизованою рукою? Саме цим шляхом йдуть численні наукові групи, прагнучи розробити протези, що зчитують нервові сигнали і перетворюють їх в руху.
В американських Хьюстонском університеті та Університеті Райса велися експерименти зі зняттям моторних нервових сигналів методом електроенцефалографії (ЕЕГ) за допомогою електродів на шкірі голови. Складність в тому, що ЕЕГ - це набір великої кількості різних сигналів, і завдання виділити серед них ті, які керують рухом кінцівки, схоже пошуків голки в стозі сіна.
Дослідники з Технічного університету Чалмерса в Гетеборзі (Швеція) спільно з колегами з консорціуму NEBIAS (проект кількох європейських університетів) пішли іншим шляхом. Замість того щоб мати у своєму розпорядженні електроди на поверхні шкіри, де корисний сигнал сильно зашумлен, вчені спробували зменшити вплив перешкод, вшиваючи електроди під шкіру. Але фізіологія кожної людини індивідуальна, і не можна заздалегідь сказати, де саме слід розташувати електроди для максимального співвідношення «сигнал-шум».
самонавчання роботів
В даний час найбільш перспективним методом управління біонічної протезами вважається зчитування електричних потенціалів з м'язів кукси - електроміографія (ЕМГ). Такі високотехнологічні протези вже вийшли за межі лабораторій і виробляються серійно. Однак навчити пацієнта правильно управляти протезом - все ще складна проблема.
Електричні руки Протезування починалося з чисто косметичних (пасивних) протезів, призначених суто для відтворення природного зовнішнього вигляду загублених кінцівок. Однак досягнення технології дозволили розробити керовані різними методами протези. Тягове управління використовує механічні тяги для передачі руху протезу. Електроміографічне управління засноване на зчитуванні біоелектричних потенціалів, що виникають при скороченні м'язів на уцілілої частини руки. Електроенцефалографічне управління використовує зчитування електричних потенціалів в мозку за допомогою електроенцефалографії (ЕЕГ). Сигнали з датчиків, розміщених на поверхні шкіри голови, декодируются комп'ютером і перетворюються в команди, що керують протезом. Управління за допомогою електронних імплантатів - імплантованих в кору головного мозку електродів, за допомогою яких реєструється активність коркових нейронів.
У лабораторії прикладних кібернетичних систем Московського фізико-технічного інституту намагаються перегорнути цю проблему з голови на ноги, тобто «навчити» протез правильно розуміти команди людського мозку. Команда GalvaniBionix, що складається зі студентів і аспірантів МФТІ на чолі з завідувачем лабораторією Тимуром Бергаліева використовує для зчитування електричних потенціалів з м'язів не одну пару електродів, а безліч. Такий підхід дозволяє домогтися значного підвищення рівня корисного сигналу і реалізувати алгоритми «самонавчання». Кожна комбінація сигналів, що прийшла з різних електродів, відповідає певному змушений рукою, а завдання в тому, щоб скласти бібліотеку відповідностей, до якої буде звертатися система при отриманні нового набору імпульсів. «Програмне забезпечення вчиться правильно розпізнавати команди мозку, підлаштовуючись під конкретну людину, - пояснює Бергаліо. - Нам вдалося продемонструвати працездатність прототипу системи: людина з ампутованою кінцівкою за допомогою «м'язових сигналів» міг переміщати курсор по екрану. Надалі ми плануємо використовувати алгоритми машинного навчання для аналізу частоти реєстрації різних комбінацій сигналів і за допомогою цих даних поліпшити розпізнавання ».
Стаття «За помахом думки» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2016 ).
Але що, якщо десь по шляху «перехопити» нервові імпульси і на цій основі після аналізу і обробки даних сформувати команди управління роботизованою рукою?
