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有史以來第一個成功的腦力控制機械臂問世

2019-06-20 02:05
-這款機械臂無大腦植入物

匹茲堡2019年6月20日 /美通社/ -- 卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)的研究團隊聯手明尼蘇達大學(University of Minnesota),在非侵入性機器人設備控制方面取得了突破性進展。使用非侵入性腦機接口(BCI),研究人員開發了有史以來第一個成功的腦力控制機械臂,展示持續跟蹤和跟隨電腦光標的能力。

能夠以非侵入性方式只使用思想來控制機器人設備將得到廣泛的應用,特別是對癱瘓病人和運動障礙病人的生活有好處。

腦機接口已被證明在只使用大腦植入物感知的信號控制機器人設備方面實現了很好的性能。當機器人設備可以高精度控制時,它們便可以用來完成各種各樣的日常工作。然而,至今為止,成功控制機械臂的腦機接口已使用侵入性大腦植入物。這些植入物需要大量的醫療和外科專業知識來正確安裝和操作,更不用說受試者的成本和潛在風險,因此,它們僅限用於少數臨床病例。

腦機接口研究的一大挑戰是開發侵入性更小甚至是完全非侵入性技術,使癱瘓病人能夠利用自己的「思想」來控制他們的環境或機械臂。如果成功的話,這種非侵入性腦機接口技術將會給眾多病人乃至整個人類帶來迫切需要的技術。

然而,使用非侵入性外部傳感(而不是大腦植入物)的腦機接口接收「更髒」的信號,導致當前解析度和控制精確度較低。因此,當只使用大腦來控制機械臂時,非侵入性腦機接口並不支持使用植入設備。儘管如此,腦機接口研究人員勇往直前,將目光投向了可以幫助世界各地病人改善日常生活的低侵入性或非侵入性技術。

卡內基梅隆大學生物醫學工程理事教授、系主任Bin He完成了這一目標,這是一次非常重要的發現。

He表示:「使用大腦植入物的腦力控制機器人設備已經取得了很大的進展。這是一門很棒的科學。但非侵入性技術是最終目標。神經解碼方面的進展以及非侵入性機械臂控制的實際應用將對非侵入性神經機器人的最終開發產生重大影響。」

利用新的傳感和機器學習技術,He和他的實驗室已經能夠獲取大腦深處的信號,實現對機械臂的高解析度控制。透過非侵入性神經成像和新穎的連續跟蹤模式,He正在克服EEG信號帶來的噪音,從而顯著改善基於EEG的神經解碼,並推動即時持續的2D機器人設備控制。

首次使用非侵入性腦機接口來控制在電腦屏幕上跟蹤光標的機械臂,He透過人類受試者展示了機械臂現在可以持續跟蹤光標。由人類以非侵入性方式控制的機械臂此前一直以不穩定、不連續的方式跟隨光標的流動 -- 就像機械臂努力「趕上」大腦的指令一樣 -- 現在,機械臂以順暢、連續的路徑跟隨光標。

在題為《科學機器人》(Science Robotics)的文章中,研究團隊制定了新框架,透過增加用戶參與和培訓,以及透過EEG源成像提高非侵入性神經數據的空間解析度,解決和改進腦機接口的「大腦」和「電腦」組成部分。

題為《非侵入性神經成像可增強連續神經跟蹤,實現機器人設備控制》(Noninvasive neuroimaging enhances continuous neural tracking for robotic device control)的文章顯示,研究團隊解決這一問題的獨特方法不僅為傳統的中心外任務將腦機接口學習提升了近60%,還將對電腦光標的持續跟蹤提升了500%以上。

該技術還具有可以幫助各種人的應用,透過提供安全的非侵入性「腦力控制」設備,使人們能夠與他們所在的環境互動並進行控制。迄今為止,這項技術已經在68名身強體壯的人體受試者中進行了測試(每個受試者多達10次),包括虛擬裝置控制和機械臂控制,以實現持續跟蹤。該技術可直接用於病人。研究團隊打算在不久的將來進行臨床試驗。

He說:「儘管使用非侵入性信號帶來了技術挑戰,但我們全心全力致力於將這項安全且經濟的技術帶給能從中受益的人。這項努力是在非侵入性腦機接口方面邁出的重要一步,而腦機接口技術終有一天可能會成為無處不在的輔助技術(比如智能手機),幫助每個人。」

這項努力部分由National Center for Complementary and Integrative Health、國家神經疾病和中風研究院(National Institute of Neurological Disorders and Stroke)、國家生物醫學成像和生物工程研究所(National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering)和國家心理衛生研究所(National Institute of Mental Health)提供支持。

工程學院簡介:卡內基梅隆大學工程學院是一所名列前茅的工程學院,以致力於跨學科研究合作而聞名。該學院以致力於解決科學和實踐重要性問題而聞名於世。該學院的「創造者」文化植根於其所做的一切,帶來了新的方法和變革性成果。該學院備受讚譽的教師團隊專注于創新管理和工程,以帶來變革性成果,提振學院所在社區、國家和世界的知識和經濟活力。

卡內基梅隆大學簡介:卡內基梅隆大學(www.cmu.edu)是一所國際排名靠前的私立大學,其課程包括科學、技術、商業以及公共政策、人文和藝術等。該大學七所學校和學院的13000多名學生獲益于較小的師生比以及以專注於為真正的世界問題、跨學科合作和創新開發和實施解決方案為特色的教育。

聯繫人:Emily Durham;電話:412-268-2406;電郵:edurham1@andrew.cmu.edu

消息來源: Carnegie Mellon University College of Engineering
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