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新突破!美国研究人员开发出首款精神控制机器人手臂

2019-11-17 18:57:24
新突破!美国研究人员开发出首款精神控制机器人手臂

日前,美国卡内基梅隆大学与明尼苏达大学的科学家在无创机器人设备控制领域取得了突破。研究人员利用无创的脑机接口(BCI)成功开发出了世界上第一款精神控制机器人手臂,它具有连续跟踪算机光标的能力。能够仅使用思想无创地控制机器人装置将具有非常广泛的应用,特别是有益于瘫痪患者和运动障碍患者的生活。

已经证明脑机接口仅使用从脑植入物感测到的信号来控制机器人设备的良好性能。当机器人设备可以高精度控制时,它们可用于完成各种日常任务。然而,到目前为止,成功控制机器人手臂的脑机接口大多使用了侵入性脑部植入物。这些植入物需要大量的医学和外科专业知识才能正确安装和操作,更不用说对象的成本和潜在风险,因此,它们的使用仅限于少数临床病例。

脑机接口研究的一大挑战是开发侵入性较小甚至完全无创的技术,使瘫痪患者能够利用自己的“思想”控制自己的环境或机器人肢体。这种非侵入性脑机接口技术如果成功,将为众多患者带来如此急需的技术,甚至也可为普通人群带来福音。

参与者在无创脑机接口的帮助下使用虚拟光标完成随机移动目标

然而,使用非侵入性外部传感而非脑部植入物的脑机接口会接收到“更脏”的信号,导致当前较低的分辨率和较不精确的控制。因此,当仅使用大脑来控制机器人手臂时,非侵入性脑机接口无法使用植入式装置。尽管如此,研究人员在这方面已经取得了进展,他们关注的是一种可以每天帮助世界各地患者的少量或非侵入性技术。

卡内基梅隆大学生物医学工程系主任贺斌教授(Bin He)正在实现这一目标。他说:“ 使用脑部植入物的精神控制机器人设备已经取得了重大进展。这是一门出色的科学。但非侵入性是最终目标。神经解码的进步和无创机器人手臂控制的实用性将对非侵入性神经机器人的最终发展产生重大影响。”

卡内基梅隆大学生物医学工程系主任何斌教授

利用新颖的传感和机器学习技术,他和他的实验室团队能够访问大脑深处的信号,实现对机器人手臂的高分辨率控制。通过无创神经影像学和一种新颖的连续追踪范式,他克服了嘈杂的脑电信号,从而显著改善了基于脑电图的神经解码,并促进了实时连续2-D机器人设备控制。

使用非侵入式脑机接口来控制在计算机屏幕上跟踪光标的机器人手臂,这是第一次在人类受试者身上展示机器人手臂现在可以流程,连续跟踪光标。之前的非侵入性地控制机器人手臂只能按照不稳定的离散运动移动光标。

这项研究已发表在《科学·机器人学》(Science Robotics)上。该团队建立了一个新的框架,通过增加用户参与和培训,以及通过脑电图源成像的无创神经数据的空间分辨率,解决和改进脑机接口的“大脑”和“计算机”组件。

该论文名为“无创神经影像增强机器人设备控制的连续神经跟踪”。该团队将传统中心任务的脑机接口学习能力提高近60%,它还增强了500%以上对计算机光标的连续跟踪。

这项技术还具有可以帮助各种人的应用程序的能力。通过提供安全,无创的“精神控制”设备,可以让人们与他们的环境进行交互和控制。

迄今为止,该技术已经在68个健全的人类受试者中进行了测试(每个受试者最多10个疗程),包括虚拟设备控制和控制机器人手臂以进行持续追踪。

该技术直接适用于患者,该团队计划在不久的将来进行临床试验。

贺斌教授表示:“尽管使用非侵入性信号存在技术挑战,但我们完全致力于将这种安全和经济的技术带给可以从中受益的人。这项研究代表了无创脑机接口的重要一步,这项技术有朝一日可能成为帮助每个人的普遍辅助技术,如智能手机控制。”

贺斌教授又名封智,1957年8月出生浙江杭州,生物工程学家,神经生物学家。本科毕业于浙江大学。1981年,贺斌获得浙江大学机电工程理学学士学位。1985年,获得浙江大学机电工程理学硕士学位。1988年,获得日本东京工业大学生物医学工程博士学位,并以最高荣誉毕业。

贺斌教授曾在美国哈佛大学和麻省理工学院联办的生物医学工程研究中心做博士后研究。之后以大学杰出学者在美国伊利诺伊大学芝加哥分校做研究。2004年,贺斌成为美国明尼苏达大学生物医学工程、机电工程和神经科学的教授。他是明尼苏达大学生物医学功能成像和神经工程实验室的主任,也是该校神经工程中心的主任。2007年,贺斌曾当选国际功能源成像学会主席。2009年—2010年IEEE生物医学工程学会主席。IEEE生物医学工程学会是国际电气电子工程师协会旗下的主要学会之一,是世界最大的生物医学工程领域的学会组织。

文章来源:技术力量

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