Prace prowadzone przez ATR i Hondę nad stworzeniem nowego interfejsu łączącego mózg z robotem zakończyły się powodzeniem. Oznacza to przełom w badaniach nad techniką umożliwiającą sterowanie robotem za pomocą fal mózgowych.
Międzynarodowy Instytut Badawczy Nowoczesnych Technik Telekomunikacyjnych ("ATR") oraz Instytut Badawczy Hondy ("HRI") stworzyły nowocześniejszy model "BMI"(Brain Machine Interface) – interfejsu łączącego mózg z robotem. Umożliwi on sterowanie robotami poprzez sygnały płynące z mózgu. Rozwiązania techniczne zastosowane w trakcie prac nad stworzeniem nowego modelu BMI, umożliwiają dekodowanie treści sygnałów i wykorzystanie uzyskanych tą drogą informacji do sterowania robotem w czasie prawie rzeczywistym, bez potrzeby dokonywania zabiegów chirurgicznych w czaszce i mózgu. To prawdziwy przełom w pracach nad budową interfejsu między mózgiem i robotem i z pewnością stworzy on większe możliwości w zakresie prac nad kolejnymi interfejsami tego typu.
Pomysł nowego modelu BMI zaczerpnięto z głośnego w środowisku naukowym artykułu Dr. Yukiyasu Kamitani poświęconego dekodowaniu sygnałów pochodzących z sieci neuronalnych, pod angielskim tytułem "Decoding the perceptual and subjective contents of the human brain". Autor jest naukowcem pracującym w należącym do ATR obliczeniowym laboratorium zajmującym się badaniami nad neurobiologią. Artykuł ukazał się w prestiżowym magazynie naukowym Nature Neuroscience, a magazyn Scientific American uhonorował dr.Kamitani i współautora artykułu, dr.Franka Tonga z Uniwersytetu Vanderbilt tytułem Research Leader. To wyróżnienie przyznawane jest przez redakcję Scientific American corocznie za wybitne osiągnięcia naukowo-techniczne. Treści artykułu wykorzystane zostały przez HRI i ATR w praktyce – do stworzenia systemu dekodowania treści sygnałów w czasie rzeczywistym i odpowiedniego sterowania robotem.
Badania dowodzą, że dekodowanie treści sygnałów pochodzących z sieci neuronalnych oparte na rozwiązaniu wykorzystującym MRI (magnetyczny rezonans jądrowy) pozwalają robotowi, poprzez podążanie śladem hemodynamicznych reakcji mózgu, naśladować dłonią ruchy palców osoby uczestniczącej w badaniu (jak w grze "paper, rock, scissors"). Mimo około 7-sekundowego opóźnienia w reakcji robota na ruch człowieka, naukowcom udało się uzyskać 85% dokładność w zakresie dekodowania treści sygnałów.
Tego typu rozwiązanie techniczne może znaleźć zastosowanie w innych nieinwazyjnych pomiarach aktywności mózgu, takich jak pomiary jego pola elektrycznego i magnetycznego czy fal.
W efekcie może to skrócić czas reakcji robota na ruch człowieka i umożliwić stworzenie bardziej kompaktowego modelu BMI.
Przebieg eksperymentu
Osoba umieszczona w skanerze MRI wykonuje palcami ruchy takie jak w grze "paper,rock,scissors", a więc imitujące papier (palce wyprostowane – dłoń płaska)*, kamień (palce zaciśnięte w pięść) lub nożyce (dwa rozchylone palce). Jednocześnie, w odstępach sekundowych, monitorowane są zmiany zachodzące w reakcjach hemodynamicznych związanych z aktywnością mózgu osoby uczestniczącej w doświadczeniu. Odpowiednie sygnały generujące ruchy typu "papier-kamień-nożyce" pozostają zarejestrowane i odkodowane dzięki odpowiedniemu programowi komputerowemu.. Uzyskane tą drogą informacje zostają przekazane robotowi, który powtarza dokładnie poszczególne ruchy wykonane przez człowieka.
BMI
W przeciwieństwie do interfejsów konwencjonalnych, które sterowane są za pośrednictwem przycisków, ludzkich rąk i nóg, nowy BMI wykorzystuje rejestrowane przez odpowiedni sprzęt sygnały aktywności mózgu i pozwala na bezkontaktowe sterowanie terminali. Dotychczas wykorzystywano w tego typu badaniach wszczepiane siatki elektrod i fale mózgowe.
Zalety nowego modelu BMI stworzonego przez naukowców ATR i Hondy
System nadaje się do codziennego użytku i nie wymaga ani inwazji chirurgicznej ani intensywnego szkolenia użytkowników.
1/ Bez chirurgii
W dotychczasowych, prowadzonych przez amerykańskich neurobiologów, badaniach nad BMI, wszczepianie siatki elektrod wymagało siłą rzeczy zabiegu chirurgicznego. Najnowsze rozwiązanie związane z techniką stosowania BMI pozbawione jest jakiejkolwiek inwazyjności. To niezwykła zaleta tego interfejsu stworzonego wspólnym wysiłkiem ATR i Hondy.
2/ Bez żmudnego szkolenia
Dotychczas, zastosowanie nieinwazyjnego modelu BMI wymagało intensywnego przeszkolenia jego użytkowników w zakresie umiejętności wygenerowania wykrywalnych sygnałów aktywności mózgu. Na przykład, niezwykle trudne jest wykrycie sygnałów czynności związanej z wyrażeniem intencji "TAK". W związku z tym użytkownicy musieli nauczyć się wykonywania myślowych zadań nie mających związku z ich stanem umysłowym ale z łatwo wykrywalną czynnością mózgu – na przykład liczenia pamięciowego. Użytkownik musiał nauczyć się kontrolowania takiej czynności w celu wyrażania intencji.
Nowy model IBM wyróżnia się tym, że sygnał naturalnej czynności mózgu związanej z konkretnym ruchem może zostać odkodowany bez konieczności wykonywania czynności alternatywnych. Przeprowadzone eksperymenty udowodniły, że ruchy imitujące "papier-kamień-nożyce" były odkodowane bezpośrednio i w czasie rzeczywistym z czynności wykonanych przez mózg osoby nie przeszkolonej i uczestniczącej w eksperymencie. To przełom w badaniach nad technikami dekodowania sygnałów czynności mózgowych.
Dekodowanie i sterowanie robotem przeprowadzone zostało na sprzęcie dostarczonym przez Computational Brain Project of Japan Science and Technology Agency (JST-ICORP) . Odpowiedzialnymi za przebieg eksperymentu byli dr.Mitsuo Kawato z Japonii i dr.Christopher Atkeson z USA, który brał bezpośredni udział w eksperymencie – to on symulował ruchy powtarzane przez robota. The ATR Brain Activity Center (BAIC) zapewnił możliwość korzystania z aparatów MRI.
