De unieke robotarm werkt zonder hersenimplantaat
De eerste experimenten door wetenschappers, die een niet-invasieve, high-fidelity-interface gebruikten om een robotarm te besturen, waren succesvol. In de toekomst willen de onderzoekers de technologie perfectioneren om deze breder beschikbaar te maken.
Robotarmen en andere robotinstrumenten klinken misschien als een futuristische ontwikkeling, maar ze bestaan al jaren en helpen zowel chirurgen als ingenieurs.
Minder gebruikelijk zijn echter prothetische robotarmen waarmee mensen die een ledemaat zijn kwijtgeraakt, weer vrij kunnen bewegen.
Een man uit Florida haalde in 2018 de krantenkoppen nadat hij een modulaire prothetische ledemaat had gekregen - een robotarm ter vervanging van de arm die hij in 2007 was kwijtgeraakt door kanker.
De man kan zijn robotarm besturen dankzij een "herroutering" van bepaalde zenuwuiteinden, maar tot dusver is deze prothese - ontwikkeld door wetenschappers van de Johns Hopkins University in Baltimore, MD - niet beschikbaar voor andere mensen die het misschien ook nodig hebben.
Een ander project - van de Universiteit van Chicago in Illinois - is het testen van prototype prothetische armen op resusaapjes. De dieren zijn allemaal reddingen met amputaties van ledematen als gevolg van ernstige verwondingen, en ze zijn in staat om hun prothetische ledematen onder controle te houden dankzij speciale hersenimplantaten.
Nu zijn onderzoekers van de Carnegie Mellon University in Pittsburgh, PA, en de University of Minnesota in Minneapolis er voor het eerst in geslaagd om een niet-invasieve hersencomputerinterface te gebruiken om een robotarm te besturen. De wetenschappers rapporteren hun succes in een studiepaper dat in het tijdschrift verschijnt Wetenschap Robotica.
Sterk verbeterde technologie
Prof. Bin He, van Carnegie Mellon, leidt het onderzoeksteam dat een interface gebruikte waarvoor geen hersenimplantaat nodig is - wat een invasieve procedure is - om de bewegingen van een robotarm te coördineren.
Prof. Hij en zijn collega's willen een betrouwbare, niet-invasieve methode ontwikkelen om de hersenen en flexibele protheses te verbinden, omdat het inbrengen van hersenimplantaten niet alleen een hoge chirurgische vaardigheid en precisie vereist, maar ook veel geld, aangezien implantaten duur zijn. Bovendien brengen hersenimplantaten een aantal gezondheidsrisico's met zich mee, waaronder infectie.
Al deze aspecten hebben bijgedragen aan het lage aantal mensen dat robotprotheses krijgt, dus hebben de wetenschappers van Carnegie Mellon en de Universiteit van Minnesota geprobeerd de rollen om te draaien door een niet-invasieve technologie te ontwikkelen.
Toch zijn er veel uitdagingen om dit te doen, met name het feit dat eerdere hersencomputerinterfaces niet in staat zijn om neurale signalen van de hersenen betrouwbaar te decoderen en dus robotledematen niet soepel en in realtime kunnen besturen.
“Er is grote vooruitgang geboekt op het gebied van door de hersenen bestuurde robotapparatuur die hersenimplantaten gebruikt. Het is excellente wetenschap '', merkt prof. He op, die commentaar geeft op eerdere stappen om een ‘betrouwbare’ technologie te vinden.
“Maar niet-invasief is het ultieme doel. Vooruitgang in neurale decodering en het praktische nut van niet-invasieve robotarmcontrole zullen grote gevolgen hebben voor de uiteindelijke ontwikkeling van niet-invasieve neurorobotica, ”voegt hij eraan toe.
In hun huidige project gebruikten Prof. Hij en zijn team gespecialiseerde sensing- en machine learning-technieken om een betrouwbare “verbinding” tussen de hersenen en een robotarm "op te bouwen".
De niet-invasieve hersencomputer-interface van het team heeft met succes neurale signalen gedecodeerd, waardoor een persoon voor het eerst een robotarm in realtime kan besturen en deze de instructie heeft gegeven om continu en soepel de bewegingen van een cursor op een scherm te volgen.
Prof. Hij en zijn collega's toonden aan dat hun aanpak - die een hogere hoeveelheid gebruikerstraining omvatte, evenals een verbeterde neurale signaal-"vertaal" -methode - het leren van de hersencomputerinterface met ongeveer 60% verbeterde. Het verbeterde ook het continue volgen van de cursor door de robotarm met meer dan 500%.
Tot nu toe hebben de onderzoekers hun innovatieve technologie getest in samenwerking met 68 valide deelnemers die elk deelnamen aan maximaal 10 sessies. Het succes van deze voorlopige proeven heeft de wetenschappers hoopvol gemaakt dat ze deze technologie uiteindelijk zullen kunnen brengen naar de individuen die het nodig hebben.
"Ondanks technische uitdagingen bij het gebruik van niet-invasieve signalen, zetten we ons volledig in om deze veilige en economische technologie beschikbaar te stellen aan mensen die er baat bij hebben", zegt prof. He.
"Dit werk vertegenwoordigt een belangrijke stap in niet-invasieve hersencomputerinterfaces, een technologie die op een dag een alomtegenwoordige ondersteunende technologie kan worden die iedereen helpt, zoals smartphones."
Prof. Bin He
