Киберпротез — это функционирующая конечность, которая взаимодействуют с телом. Люди-киборги управляют протезом силой мысли, через нейроинтерфейс, задействуя нервные импульсы и мышцы. Такие гаджеты создаются на стыке нейрофизиологии, медицины, робототехники и программирования. Кибернетический протез отзывчив благодаря датчикам импульсов мышц и искусственному интеллекту, адаптирующему конечность к движениям в типичных ситуациях. Электроды считывают из мозга электрические сигналы, которые потом преобразуются в команды.
В студии промышленного дизайна КЛОНА разработают киберпротез, движения которого естественны, при этом управлять таким гаджетом легко. За счет чего этого можно достигнуть?
Содержание
Нейроинтерфейс для киберпротезов
В киберпротезах используется нейрофизическая анатомия человека, а датчики-чипы вживляются, чтобы создать целостный организм.
Нейроинтерфейс — это технология для обмена информацией между мозгом и компьютером, основанная на регистрации биопотенциалов мозга. Однонаправленный нейроинтерфейс или принимает сигналы от мозга, или отправляет, а двунаправленный делает это одновременно.
Нейроинтерфейс позволяет человеку взаимодействовать с внешним миром на основе регистрации электрической активности мозга — электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Импульсы головного мозга преобразуются в сигнал, понятный компьютеру.
В киберпротезах автоматика, основанная на электронике и вычислениях, корректируется импульсами, идущими от мозга.
Как измерить сигналы мозга, чтобы управлять киберпротезом: 3 метода
Рассмотрим способы регистрации и расшифровки электрических сигналов.
Неинвазивный
Датчики размещены на голове. Они измеряют электрические потенциалы, которые создает головной мозг и магнитное поле.
Сенсоры соединены с процессорным устройством, которое расшифровывает биопотенциалы, а затем передает команды исполнительным устройствам.
Плюс: электроэнцефалограмма снимается непосредственно с поверхности головы, без боли. Это практично и дешево.
Минус неинвазивного метода: сигнал будет отражать активность множества нервных клеток. Расшифровка не даст информацию, позволяющую тонко управлять киберпротезом.
Полуинвазивный
Электроды размещены на поверхности мозга, которая открыта.
Минус полуинвазивного метода: потребуется нейрохирургическая операция.
Инвазивный
Микроэлектроды размещены в коре головного мозга. Они фиксируют активность одного нейрона.
Вживленные электроды вместе с алгоритмом, расшифровывающим активность нейронов, позволяют управлять киберпротезом силой мысли.
Илон Маск планирует производить роботизированные киберпротезы, базируясь на опыте создания андроидов и чипов, которые вживляют в мозг.
Крошечные процессоры подключаются к мозгу через тончайшие нити. Датчики будут располагаться на поверхности черепа и передавать информацию на компьютер, который находится за ухом.
Планируется, что внешний приемник будет обмениваться данными со встроенным чипом по беспроводной сети, а затем подключаться к приложениям.
Основная цель Neuralink — создать нейроинтерфейс без риска отторжения организмом, который будет улавливать активность мозга и обрабатывать сигналы. Его вживление будет несложным и безболезненным, как операция лазерной коррекции зрения.
Neuralink: нейронные интерфейсы
Как работает нейроинтерфейс киберпротеза
Независимо от расположения электродов, механизм работы интерфейса «мозг-компьютер» одинаков:
- электроды измеряют мельчайшие различия в напряжении между нейронами;
- сигнал усиливается и фильтруется;
- усиленный и отфильтрованный сигнал интерпретируется компьютерной программой.
Таким образом, человек взаимодействует с внешним миром на основе регистрации электрической активности мозга — электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Намерение совершить какое-то из действий меняет ЭЭГ, а компьютер фиксирует и расшифровывает изменения.
Простейшие желания человека, например, свернуть налево или направо, двигаться вперед или назад, поднять или опустить руку преобразуются в сигналы, которые переключают режимы активности киберпротеза. Человек регулирует их на ходу, мысленными командами, без дополнительных пультов управления.
Проектирование нейроинтерфейсов
Процесс включает в себя программирование и настройку устройств, которые управляют протезами, интерпретируя электрические сигналы биологических нейронов.
Как это реализовано? Сначала человек несколько раз мысленно воспроизводит движения, а мозг реагирует на них электрической активностью. Алгоритмические системы, умеющие распознавать образы, устанавливают соответствие этих намерений и изменений ЭЭГ, а затем запоминают их.
При разработке учитываются физиология и психология конкретного пользователя. Когда человек захочет изменить режим движения, алгоритмы определят признаки намерения, а затем выдадут команды переключения автоматики протеза в нужный режим. Так искусственная конечность адаптируется к движениям в типичных ситуациях.
Как работает киберпротез
Трансформированные конечности киборга дают ему безграничный потенциал в жизни и бою. Действия такого гаджета полностью автоматизированы. Владельцу протеза достаточно лишь подумать о каком-либо движении, например, поднять стакан — и бионическая рука послушно выполнит задание.
Механизм автоматического управления встроен в кибернетические протезы. Этим киберпротезы отличаются от механических, в которых человек передвигает конечность усилиями оставшихся мышц. Когда вы переставляете кибер-ногу при ходьбе, вы не просчитываете угол сгибания колена в процессе шага — это происходит на автомате.
У киберпротеза есть двигатели и аккумулятор, по факту это нога, которая шагает самостоятельно, или рука, которая поднимает себя сама.
Протез плотно присоединен к культе, поэтому при ходьбе прилагается меньше усилий, а движения становятся более естественными.
Фишка: темп и ширина шага, как и другие параметры движения, настраиваются под конкретную личность.
Разработка концепции дизайна киберпротеза
Киберпротез — это гаджет, который компенсируют вес недостающей конечности и помогают тренировать мышцы, не позволяя им атрофироваться. Задача киберпротезирования — максимально естественно заменить конечности.
Что умеют киберпротезы: 5 расширенных возможностей
Киберпротезы позволяют людям, потерявшим конечности, жить полноценной жизнью. Они работают от аккумулятора, а внутри находятся плата и программируемые драйвера. Протез расширяет возможности человека в глазах других людей и своих собственных.
На что способны лучшие модели?
| 1. Двигательная функция | Воспроизведение сложных движений Реакция на нервные импульсы Развитие мелкой моторики |
| 2. Наращивание потенциала | Повышенная сила и ловкость Захват предметов с разной силой |
| 3. Реалистичный внешний вид | Комфорт и уверенность |
| 4. Обратная связь | Человек чувствует через протез конечности давление и температуру |
| 5. Интеграция с телом | Плавная связь между киберпротезом и нервной системой |
Фишка: разные виды протезов у одного человека.
Футуристический вариант — для того, чтобы привлечь внимание и подчеркнуть свою особенность.
Косметический — чтобы отдыхать от внимания.
Киберпротез руки
Жизнь с киберпротезом
С помощью встроенных дополнительных гаджетов люди оплачивают покупки, проводя рукой по терминалу, а также отслеживают время и активность, глядя на умные часы. Кроме того, можно регулировать сжатие руки и силу захвата.
При проектировании руки киборга делается упор на мелкой моторике.
Пользователи лучших моделей могут:
- вдевать нитку в иголку;
- красить ногти;
- писать;
- кататься на велосипеде;
- работать на станках.
Первый киберпротез
Читайте также: Бионический протез руки: промышленный дизайн для полноценной жизни
Принцип работы: электроды перехватывают нервные импульсы культи, затем передают их компьютеру, который встроен в предплечье. Компьютер дает команду шести моторам, и они начинают синхронно двигать плечом, локтем и кистью устройства.
Ручные датчики помогут владельцу измерять давление и точно настраивать хват. Такой прототип разрабатывается под конкретную личность.
Необычные модели киберпротезов
В искусственную кисть встраиваются моторчики, управляющие пальцами. Режимы кибернитических рук переключаются через мозг, при помощи нейроинтерфейсов. В этом их отличие от протезов, управляемых мышцами культи.
Кибер-рука управляется не мышцами культи, а мозгом. Микрочип вживляется в мозг, регистрирует сигналы, идущие от нейронов, а затем передает их искусственной конечности.
Фишка: движения точны настолько, что можно играть на музыкальных инструментах.
Ведутся работы над обратной связью кибернетической руки, чтобы она не только получала сигналы мозга, но и передавала тактильные ощущения.
Специальные датчики давления, встроенные в кончики пальцев, позволяют кибернетической руке измерять силу давления или сжатия предмета. Затем эти сигналы передаются в мозг человека как вибро-тактильная стимуляция.
Датчик придает протезам рук ощущение осязания. Например, датчик SynTouch Biotac умеет определять температуру, давление и вибрацию так же, как кончик пальца человека. Он оснащен искусственными отпечатками пальцев, чтобы повысить чувствительность.
Фишка: сенсоры чувствуют разницу между материалами лучше, чем люди, у которых завязаны глаза, так как используют 15 факторов для оценки материала: гладкость, трение и термические свойства.
Сигнал управления передается в подушечки бионических пальцев с помощью электрода, подключенного к нервной системе. Тактильная связь реализована передачей сигнала с киберпротеза обратно в нервную систему.
Фишка: мелкая моторика, человек управляет каждым пальцем и «чувствует» его. У кибер-руки 9 степеней свободы, вес 740 г. Все ручные приводы расположены внутри, поэтому нет проблем с трансмиссией. Серводвигатели оснащены прецизионным редуктором с энкодерами для точного позиционирования.
Киберпротез ноги
Проектирование протезов ног отличаются от проектирования рук тем, что механика проще, нет мелкой моторики, а акцент делается на правильной нагрузке и кинематике.
Читайте также: Почему бионические протезы ног интересней механических: промышленный дизайн
С инженерной точки зрения киберпротезы ног легче создать потому, что не нужно имитировать точные движения пальцев. Сложность в другом: требуется эффективная амортизация, иначе при быстрой ходьбе человека будет сильно шатать.
Это кибер-нога, созданная в американском Университете Вандербильта. Множество сенсоров определяют положение ноги в пространстве, а множество моторов начинают в ответ двигать искусственные суставы, поэтому человек легко садится и приподнимается. Весит такой киберпротез ноги 4 кг. Заряда хватает на полнедели в спокойном режиме, или на интенсивную прогулку на 10,5 км.
Фишка: мышечный привод работает на монотопливе, так как оно мощнее и весит меньше, чем электродвигатель.
Power Foot, киберпротез, имитирующий нажим ноги, создан профессором Массачусетского технологического института Хью Герром. Герр руководит исследованиями биомехатроники, а носимую робототехнику разрабатывает сам. Его мнение — понятие инвалидности устаревает по мере того, как стирается граница между людьми и роботами.
Профессор разрабатывает конструкции, которые интегрируются с нейросетями. Он анализирует движение человека, изучает, как электронные устройства взаимодействуют с нервной системой через нейроинтерфейс, а также использует живые мышцы для их активации.
Герр и его команда разработали функциональные и удобные протезы, которые реагируют на тонкие команды нейронов. Например, искусственное колено, которое адаптируется к походке человека
Подытожим
Кибернетические протезы — гибриды разума и электроники, которая с высоким уровнем передачи управляет сигналами, идущими от мозга. Мы работаем над тем, чтобы управление протезом было интуитивным, а гаджет ощущался как собственное тело.
Закажите киберпротез в студии промышленного дизайна КЛОНА, и мы спроектируем надежное электронное устройство, которое воплотит вашу идею в жизнь. Наши разработчики обеспечат комфортное сращивание человека и протеза, в итоге кибернетическая конечность будет реагировать на сигналы мозга с той же скоростью, что и живая.
