脳コンピューターインターフェースでケーキを食べる

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手を使わずに口だけでケーキを食べるには何ステップかかりますか？

まず、心を使ってフォークを持ったロボットアームを制御し、ケーキをフォークで切ります。

次に、ナイフを持ったロボットアームを制御して、一部を切り取ります。

最後に、ロボットアームを回転させて動かし、ケーキを口まで持ち上げます。完了です。

ジョンズ・ホプキンス大学のこの研究では、脳コンピューターインターフェースを使用して、 30年間麻痺していたボランティアが2本のロボットアームを同時に操作できるようにしました。

ナイフとフォークを使うことは普通の人にとっては難しくありませんが、脳コンピューターインターフェースシステムでは、2 本のロボットアームに合計34 の自由度があり、それらを制御する必要があります。

肩、肘、手首の関節の動き、手のひらの動きと回転、指の制御が含まれます。

このボランティアは、世界初の両脳インプラント受領者であり、これは電極アレイが脳の左半球と右半球の両方に埋め込まれることを意味します。

このような複雑な神経信号を解読するのは、現在の技術では依然として困難です。

今回、研究チームは新たな手法を提案し、制御すべき自由度を34から12に減らし、その大部分をアルゴリズムで処理し、人間が同時に制御する必要があるのは4つまでで済むようにした。

最後に、ケーキを食べる実験では、参加者はロボットアームを微調整して、自分の好みに応じてケーキのカットの大きさを制御し、協調した両手操作による正確な操作を実現しました。

最近発表された実験レポートでは、この研究のより詳しい内容が紹介されています。

人間と機械を一体として扱う

この新しい方法の科学的な名称は、Shared Control Strategy です。

簡単に言えば、実験に参加している人間と 2 つのロボット アームは、共有制御システム内で人間と機械の組み合わせとして扱われ、アルゴリズムによって均一にスケジュールされます。

このように、システムは、最終的な操作実行フェーズで、2 つのロボット アームのエンド エフェクタ(つまり、ハンド)の 3D 位置と 3D 方向のみを考慮する必要があります。

合計すると、3+3 を 2 つの手で乗算して、合計 12 の自由度になります。

このシステムでは、関節の動きや指のつまみなどの他の自由度の動きは、逆運動学アルゴリズムによって解決されます。

さらに、これらの 12 の自由度は、タスク実行中に動的に分割されます。

システムは、特定のタスクごとに実行ステップを分割し、人間の参加者が音声を通じて最大 3 つのタスクを同時に制御できるようにガイドし、作業の大部分をアルゴリズムに任せます。

この実験には、30年以上脊髄損傷による上肢麻痺に苦しみ、肩、肘、手首の関節の可動性が極めて限られている49歳のボランティアが参加した。

この実験では、腕を動かすことを想像するだけでなく、実際に腕を動かそうとする必要がありました。

結果として得られる神経信号は解読が容易であり、それがビデオの中で彼の動きが制限された手首が時々動く理由です。

最後に、共有制御戦略下での左手と右手の平均デコード精度は、それぞれ 63.5% と 67.6% でした。

彼は20回のテストミッションのうち17回を成功裏に完了した。

研究チームは、共有制御戦略を使用して操作の自由度を減らすことが、脳コンピューターインターフェースの開発に非常に重要であると考えています。

その最大の重要性は、人々が投入する必要のあるエネルギーを削減し、脳とコンピューターのインターフェースを解読する難度を下げ、埋め込まれる電極の数が少なくなり、精度が低くなるなど、より安価なソリューションが恩恵を受けられるようになることにあります。

もう一つ

研究報告にはもう一つ興味深い詳細があります。

当初の 20 のテスト課題にはケーキを食べることは含まれていませんでしたが、ケーキの香りがとても良かったため、ボランティアは率先してケーキを食べることを選択しました。

新しい方法の初期段階では、このような複雑なタスクを実行するのは簡単ではありません。ご覧になるビデオのデモは 5 倍速で再生されます。

現実には、ケーキを一口食べるのに合計90 秒かかります。

ネットユーザーの中には、熱い料理が口に運ばれる頃には冷めてしまうので、これは火鍋を食べるのに適していると言う人もいました。