Skomputeryzowane kończyny zamiast mechanicznych protez

26.11.2004

Wkrótce sztuczną ręką czy nogą sterować będzie się tak samo jak prawdziwą kończyną - za pomocą myśli. Myśli natomiast będziemy przekazywali bezpośrednio za pomocą telekomunikacyjnych implantów.

Niniejszy artykuł pochodzi z Magazynu komputerowego CHIP

Rys. 1. Prototyp protezy SPRING Hand, która dzięki specjalnemu systemowi elektrod pobudza wybrane ośrodki nerwowe, a następnie uzyskane informacje zwrotne przekazuje jako impulsy sterujące do układu mechanicznego

Mawia się, że wypadki chodzą po ludziach. Niestety, niektóre z nich są tak poważne, że kończą się trwałym kalectwem. Od czasów prehistorycznych utrata kończyny czy oka ograniczała sprawność człowieka i sprawiała, że poszkodowany stawał się ciężarem dla społeczności. Od wieków brakujące organy zastępowano protezami, którym jednak daleko było do funkcjonalności oryginału. Wkrótce jednak ma się to zmienić i sztuczne oczy czy ręce nie będą ustępowały sprawnością "białkowym" pierwowzorom.

Podrabiając matkę naturę

W procesie projektowania i produkcji protez wykorzystuje się zasady rządzące ruchem układu mięśniowego. Proces ten polega na współdziałaniu mechanizmów fizjologicznych z mechanizmami protez oraz z układem sterującym. Taka sztuczna kończyna poprawia oczywiście zdolność ruchową osoby poszkodowanej, jednak nie jest tym samym co normalny, żywy organ. Nawet najdoskonalsze konstrukcje mechaniczne pozostają tylko namiastką utraconej kończyny, głównie ze względu na mniejszą funkcjonalność. Zmienić to ma wykorzystanie elektroniki.

Stal sterowana myślą

W ostatnich latach prowadzone są zaawansowane badania nad stworzeniem protez, które nie musiałyby być kierowane mechanicznie.
Dąży się do tego, by człowiek sam sterował takim sztucznym organem za pomocą własnych myśli. Jak coś takiego ma działać?
Aby to zrozumieć, musimy przyjrzeć się badaniom nad falami mózgowymi. W naszym mózgu zachodzą procesy elektrochemiczne, które odzwierciedlane są w formie impulsów elektrycznych. Impulsy te można zmierzyć za pomocą urządzenia EEG, które podaje nam informacje na temat częstotliwości drgań fal mózgowych - jednostkę tego pomiaru stanowi Hz. Istotną cechą fal jest to, że ich amplituda nie jest stała, lecz bardzo ściśle związana z zadaniami, które wykonujemy.

Rys. 2. "Inteligentne palce" RTR2 hand dzięki sensorom zintegrowanym z układem nerwowym człowieka oferują dużą precyzję ruchów

Rodzaje fal mózgowych

W falach mózgowych, zmierzonych za pomocą elektroencefalografu, wyróżnia się cztery zakresy częstotliwości: alfa, beta, theta oraz delta.

Fale o częstotliwości od 14 do 30 Hz to fale beta towarzyszące stanowi największej "przytomności" umysłu, człowiek jest wtedy nastawiony na odbiór bodźców zewnętrznych za pomocą zmysłów. Nasz mózg w tym stanie potrafi przetwarzać i analizować dane. Fale beta rejestruje się w płacie czołowym, a ich amplituda nie przekracza 20 mikrowoltów.
Fale o częstotliwości od 7 do 13 Hz to fale alfa - ten rodzaj fal charakteryzuje stan tuż przed zaśnięciem lub w chwili, gdy się budzimy. Encefalograf zmierzy tę częstotliwość, gdy jesteśmy uspokojeni i odpoczywamy. Gdy nasz umysł znajduje się w tym stanie, łatwiej przyswajamy wiedzę. Fale alfa dominują w mózgach osób medytujących. Rytm alfa pojawia się zazwyczaj, gdy zamkniemy oczy, zanika natomiast, gdy je ponownie otworzymy. Amplituda napięcia wynosi ok. 50 mikrowoltów.
Fale o częstotliwości od 4 do 7 Hz to fale theta - powstają one wówczas, gdy całkowicie odizolujemy się od bodźców zewnętrznych - jest to stan transu, który pozwala na bardzo głęboką medytację. Ten rytm towarzyszy nam również przez część snu, występuje też w stanach depresji. Amplituda napięcia wynosi ok. 100 mikrowoltów.
Fale o częstotliwości od 0,5 do 4 Hz, zwane delta, typowe są dla stanu nieświadomości, np. głębokiego snu. Wówczas nic nam się nie śni, a organizm się regeneruje. Amplituda napięcia przekracza 100 mikrowoltów.

Jak zatem za pomocą myśli człowiek jest w stanie sterować ruchami protezy? Kontrolując i odpowiednio modulując fale mózgowe, które następnie odczytywane są przez czujnik przekładający te sygnały na polecenia dla protezy.
Jak dowodzą badania, opanowanie tego procesu przez człowieka, choć możliwe, nie jest łatwym zadaniem. Niektórym ludziom generowanie odpowiednich fal mózgowych przychodzi łatwiej, inni natomiast potrzebują bardzo dużo czasu, by to opanować. Wielu osobom nie udaje się zapanować nad tym procesem w ogóle.

Małpa wprawia w ruch robota

Dr Miguel Nicolelis z Duke University przeprowadził badanie, w którym za pomocą fal mózgowych małpy udało się wprawiać w ruch ramię robota. W mózgu zwierzęcia umieszczono specjalne mikroelektrody. Gdy małpa poruszała ręką, jej fale mózgowe przesyłane do robota powodowały u niego podobny ruch ramienia.

Skoro badania te zakończyły się sukcesem w przypadku małp, postanowiono skonstruować protezy sterowane falami mózgowymi, które umożliwią osobom kalekim, w tym sparaliżowanym, samodzielne poruszanie się i wykonywanie różnych czynności.
Peter Fromherz z Instytutu Biochemii Maksa Plancka w Monachium stworzył układ neuroelektroniczny, w którym obwody półprzewodnika zostały sprzężone z komórkami mózgu ślimaka. Neurony i łączące je włókna nerwowe sąsiadują z połączeniami elektronicznymi. Te dwa obwody zostały tak skonstruowane, aby pośredniczyły w komunikacji - pole elektryczne wzbudzone w tranzystorze wyzwala reakcje chemiczne, za pośrednictwem których porozumiewają się komórki nerwowe w żywym organizmie. I odwrotnie - pod wpływem zmian zachodzących w neuronach zmienia się napięcie w tranzystorze. Tak miałby funkcjonować interfejs tłumaczący dane między układami elektronicznymi a komórkami nerwowymi.

Więcej informacji - Inteligentne protezy
http://www.kevinwarwick.com/
http://www.cyberhand.org/
http://www.biochem.mpg.de/mnphys/
http://news.mc.duke.edu/news/article.php?id=69
http://www-arts.sssup.it/Cyberhand
http://www.aquarius.4me.pl/index.html

W stronę cyborgizacji

Rys. 3. Wszczepiony w przedramię chip pozwala sterować samobieżnym wózkiem inwalidzkim

Profesor Cyborg i jego eksperymenty

Realizując eksperyment o kryptonimie Cyborg 1, profesor Kevin Warwick wszczepił sobie pod skórę ukryty w specjalnej kapsułce elektroniczny mikrochip. Implant wysyłał sygnały, które sprawiały, że gdy profesor nadchodził, automatyczne otwierały się drzwi w budynku Katedry Cybernetyki, włączało się oświetlenie, a komputer witał Warwicka wchodzącego do swojego gabinetu. Chip ten wysyłał 64-bitowy identyfikator do różnych urządzeń i układów sterujących, które po otrzymaniu takiego sygnału miały realizować wcześniej przypisane zadania. Korzystając z tej technologii, osoba niepełnosprawna nie musiałaby samodzielnie otwierać drzwi, zapalać świateł i robić wielu innych drobnych rzeczy, które dla sporej grupy ludzi stanowią problem.

Projekt Cyborg 2

Następny etap eksperymentów profesora Warwicka polegał na umieszczeniu we własnym ciele specjalnego chipa, który wysyłał sygnały z układu nerwowego naukowca do komputera, a także odbierał napływające informacje zwrotne. Profesorowi wszczepiono w układ nerwowy lewego przedramienia niewielki chip wyposażony w 100 elektrod. Za ich pomocą Warwick kontrolował elektroniczny wózek inwalidzki. Wykorzystując ten chip, możliwe stało się również sterowanie "inteligentną" protezą. Kiedy profesor wykonywał ruch ręką w dół, implant był w stanie odebrać sygnał z układu nerwowego i przekazać go mechanizmowi sterującemu, który tę informację odpowiednio interpretował, a następnie przesyłał do protezy.

Równie ciekawa idea narodziła się w kalifornijskim Stanford University, gdzie opracowuje się drugą generację elektronicznej protezy siatkówki oka. Urządzenie to ma przetwarzać impulsy świetlne na sygnały chemiczne pobudzające komórki nerwowe - podobnie jak w naturalnej siatkówce. Dotychczas wszczepiane chipy przesyłały impulsy elektryczne bezpośrednio do nerwu wzrokowego i stwarzały problemy związane z tzw. biokompatybilnością.

Kolejne wersje elektronicznej siatkówki oka mają być wykonane z miękkiego polimeru dopasowanego do kształtu oka. Ich najważniejszym elementem jest warstwa komórek nerwowych, które za pośrednictwem siatkówki połączą się z nerwem wzrokowym.

Na Uniwersytecie Południowej Kalifornii również trwają zaawansowane prace badawcze nad elektroniczną protezą siatkówki. Wyniki testów wskazują, że aparat pozwala odzyskać wzrok w stopniu umożliwiającym nie tylko rozróżnianie światła i cienia, ale także rozpoznawanie kształtów prostych obiektów. Badania wykazały też, że urządzenie to ułatwi życie osób, które całkowicie utraciły wzrok. Elektroniczna proteza siatkówki składa się z układu elektronicznego, który odbiera sygnały z mikrokamery zamontowanej na okularach. Elektroimpulsy pobudzają komórki siatkówki, a następnie informacje te przekazywane są do mózgu za pomocą nerwu wzrokowego. Naukowcy myślą również, aby mikrokamery zastąpić światłoczułymi elektrodami, które znacznie dokładniej mogą przekazywać obraz zewnętrzny.

Rys. 4. Sztuczna ręka opracowywana przez ARTS Lab będzie nie tylko sterowana naturalnie - przez impulsy nerwowe, ale także ma być odczuwana jako "oryginalna". Liczne sensory będą odpowiedzialne za przekazywanie nawet takich wrażeń, jak szorstkość czy wilgotność

Projekt Cyberhand

Naturalna ludzka ręka jest kontrolowana dzięki "nerwowym" rozkazom kierowanym z centralnego do peryferyjnego systemu nerwowego, np. ręki. Równocześnie przenoszone są informacje dotyczące pozycji palców, siły uścisku czy ślizgania się przedmiotów, przekazywane z naturalnych sensorów (mechanoreceptory, wrzeciona mięśnia) do centralnego systemu nerwowego poprzez pobudzanie dośrodkowych peryferyjnych nerwów. Według tej zasady ma pracować "cybernetyczna ręka".
To kolejna inicjatywa mająca na celu stworzenie inteligentnej protezy, która wierniej niż dotychczasowe modele odtworzy ruchy ręki człowieka. Nowością w "cyfrowej ręce" jest sprzężenie zwrotne - będzie można odczuwać kształt, fakturę i twardość dotykanych protezą przedmiotów. Konstrukcja wykorzystuje do tego celu system czujników, który pobudza określone ośrodki nerwowe.

Główne komponenty systemu Cyberhand:

Regenerujące elektrody (rejestrujące impulsy z nerwów odprowadzających i dośrodkowych).
System implantów stymulujących układ nerwowy, które mają dostarczyć reakcje czuciowe do systemu nerwowego pacjenta oraz w drugą stronę - rejestrować zamiar osoby i przekazać informacje do protezy.
Telemetryczne łącze (odbiornik i nadajnik) zarówno dla sygnałów odprowadzających, jak i dośrodkowych systemu nerwowego.
Mechaniczny system sterujący z osadzonymi biometrycznymi sensorami o precyzji zbliżonej do uzyskiwanej za pomocą naturalnych kończyn.
Zewnętrzny układ dekodujący zamiary pacjenta.
System dostarczający "poznawczą" reakcję do pacjenta.

Dwa ostatnie komponenty zostaną zaimplementowane w formie przenośnego elektronicznego zespołu obwodów. Cybernetyczna proteza będzie w stanie odtworzyć naturalne łącze, które występuje między ręką a systemem nerwowym człowieka.

Zdrowi dzięki cyborgizacji

Rozwój technologii informatycznych nie ominął również protez, dzięki czemu w przyszłości możliwe będzie zastąpienie naturalnych kończyn ludzkich. Sprawnością ruchową "podróbki" będą w znacznym stopniu przypominały naturalne ręce i nogi. Obecnie wszystkie te nowinki technologiczne znajdują się w fazie bardziej lub mniej zaawansowanych testów, jednak zapewne już w najbliższych latach pozwolą ludziom niepełnosprawnych żyć tak normalnie jak ci, którym udało się szczęśliwie uniknąć poważnych wypadków.

Technotelepatia

Rys. 5. Kevin Warwick, twórca implantów telekomunikacyjnych

Technotelepatia
CHIP: Panie Profesorze, co Pan sobie wszczepił?

Kevin Warwick: To specjalne chipowe implanty, które zbudowaliśmy i wykorzystujemy w naszych eksperymentach. Mojej żonie Irene również wszczepiono taki implant.

CHIP: Do czego owe implanty mają służyć?

KW: Ich zastosowanie pozwoli nie tylko na lokalizację drugiej osoby, ale także na wymianę myśli oraz emocji poprzez Internet. Dotychczas udało się tylko przekazać w ten sposób uczucie delikatnego swędzenia.

CHIP: Dlaczego wszczepił Pan implant także swojej żonie?

KW: Naszym głównym celem jest transmisja informacji. Chcemy wzajemnie odczuwać swoje własne ruchy i uczucia.

CHIP: Czy Pana eksperymenty to początek technologicznej telepatii? Czy wkrótce nastąpi powszechne "odtajnienie myśli"?

KW: Myślę, że nasze eksperymenty przesuwają granicę, za którą rozciąga się tajemnica ludzkiego umysłu. Nie oznacza to jednak, że już wkrótce każdy będzie mógł poznać myśli drugiej osoby. Myśli jeszcze długo nie staną się "przezroczyste".

CHIP: Czy dzięki takim eksperymentom zmieni się sposób komunikowania między ludźmi?

KW: Czuję, że tak właśnie się stanie. Obecnie dominujący sposób ludzkiej komunikacji - mowa - jest bardzo powolną metodą porozumiewania się. Mowa jest również bardzo podatna na błędy przekazu - nie zawsze za pomocą słów wyrazimy to, o co dokładnie nam chodzi. Wymiana informacji za pomocą przekazywania "sygnałów myśli" będzie znacznie szybsza, znacznie łatwiejsze stanie się też uchwycenie intencji drugiej osoby.