Anonim

Forskere demonstrerer en tankekontrollert fremtid

Robotics

Nytt Atlas Team

5. november 2004

5. november 2004 Forskere ved University of Pittsburgh har vist at en ape kan mate seg med en robotarm ganske enkelt ved å bruke signaler fra hjernen, et fremskritt som kan forbedre protesen for mennesker, spesielt de med ryggmargenskader. Robotarmen, eller nerveprotesen, handler om størrelsen på et barns arm og beveger seg som en naturlig arm med en helt mobil skulder og albue og en enkel gripper som gjør at apen kan gripe og holde mat mens den er egen armene holdes fast.

Armenen er koblet inn i apenes hjerne og avlyser signaler gjennom elektroder festet til små prober som knytter seg til nevronbaner i motorcortexen, en region av hjernen som er ansvarlig for frivillig bevegelse. Neuronernes kollektive aktivitet er matet gjennom en algoritme utviklet ved University of Pittsburgh og deretter sendt til armen for å fortelle den hvilken retning å gå.

"Dette er et gjennombrudd i utviklingen av neurale protetiske enheter som en dag vil lede til enheter som kan hjelpe folk som er lammet eller som har mistet lemmer, " sa Andrew Schwartz, Ph.D., professor i nevromobiologi ved University of Pittsburgh School of Medicine og seniorforsker på prosjektet.

Ifølge Dr. Schwartz, inneholder en del av hjernen som styrer bevegelsen, kalt primære motorcortex, neuroner som brenner som en Geiger-teller i forskjellige retninger. Retningen som en nevron brenner raskest, kalles sin "foretrukne retning." Mange motoriske kortikale celler forandrer sin brennhastighet for hver bevegelse, og denne aktiviteten fra de mange nevronene føres gjennom ryggraden til forskjellige muskelgrupper for å generere bevegelse .

Det krever tusenvis av neuroner som skyter i konsert for å tillate selv de mest enkle bevegelsene, og det ville være umulig å tappe inn i dem alle, slik at Pitt-teamet utviklet en algoritme for å fylle ut de manglende nevonsignalene, slik at de kunne bli nyttige signal fra et håndterbart antall elektroder. Algoritmen de utviklet for å dekode de kortikale signalene, fungerer som en stemmemaskin ved å bruke hver celles foretrukne retning som en etikett og ta en kontinuerlig tally av befolkningen gjennom den planlagte bevegelsen.

Apekatter ble trent til å nå mål, og når elektrodene var på plass, ble algoritmen justert mens armene ble holdt fast for å anta at dyret hadde tenkt å nå mål.

"Hver celle er bevegelsesfølsom og har en foretrukket retning, og hver celle foretrukket retning er som en stemme, " sa Chance Spalding, en bioteknisk kandidatstudent i Dr. Schwartz 's lab som presenterte funnene. "Når alle stemmer er lagt til, gir det oss populasjonsvektoren. " Disse populasjonsvektorene forutsier nøyaktig hastigheten på normal armbevegelse, og i tilfelle av denne protesen tjener som styresignal til å formidle apen s intensjon til prostetisk arm.

Fordi programvaren måtte stole på et lite antall av de tusenvis av nevroner som trengs for å bevege armen, gjorde apen resten av arbeidet, og lærte gjennom biofeedback hvordan man finjusterer armens bevegelser ved å endre avspillingshastighetene til den innspilte nevroner.

For oppgaven ble maten plassert på forskjellige steder foran apen, og dyret, med egne armer holdt fast, brukte robotarmen til å bringe maten til munnen.

"Det neste trinnet med denne enheten er å legge til realistisk hånd- og fingerbevegelse, " sa Meel Velliste, Ph.D., en postdoktor i Schwartz-lab. "Dette gir en ganske utfordring fordi det er hundrevis av forskjellige subtile bevegelser vi gjør med våre hender, og vi må tolke dem alle. "

Armen ble utviklet av Pitt-forskerne og skreddersydd av Keshen Prosthetics i Shanghai, Kina. Programvaren som styrer armen ble utviklet på Pitt og Arizona State University. Modifikasjoner på den opprinnelige armen ble laget på Robotics Institute ved Carnegie Mellon University.

I tillegg til drs. Schwartz og Velliste og Mr. Spalding, andre forfattere inkluderer Beada Jarosiewicz, Ph.D., og Gordon Kirkwood, begge Universitetet i Pittsburgh.

Anbefalt Redaksjonens