Кіберпротез – це функціонуюча кінцівка, яка взаємодіє з тілом. Люди-кіборги управляють протезом силою думки, через нейроінтерфейс , залучаючи нервові імпульси та м’язи. Такі гаджети створюються на стику нейрофізіології , медицини, робототехніки та програмування . Кібернетичний протез чуйний завдяки датчикам імпульсів м’язів та штучному інтелекту , що адаптує кінцівку до рухів у типових ситуаціях. Електроди зчитують із мозку електричні сигнали, які потім перетворюються на команди.
У студії промислового дизайну КЛОНУ розроблять кіберпротез, рухи якого природні , при цьому керувати таким гаджетом легко. За рахунок чого цього можна досягти?
Зміст
Нейроінтерфейс для кіберпротезів
У кіберпротезах використовується нейрофізична анатомія людини, а датчики-чіпи вживлюються, щоб створити цілісний організм.
Нейроінтерфейс – це технологія для обміну інформацією між мозком і комп’ютером , заснована на реєстрації біопотенціалів мозку. Однонаправлений нейроінтерфейс або приймає сигнали від мозку, або відправляє, а двонаправлений робить це одночасно .
Нейроінтерфейс дозволяє людині взаємодіяти із зовнішнім світом на основі реєстрації електричної активності мозку – електроенцефалограми ( ЕЕГ ). Імпульси мозку перетворюються на сигнал , зрозумілий комп’ютеру.
У кіберпротезах автоматика, заснована на електроніці та обчисленнях , коригується імпульсами , що йдуть від мозку .
Як виміряти сигнали мозку, щоб керувати кіберпротезом : 3 методи
Розглянемо способи реєстрації та розшифровки електричних сигналів.
Неінвазивний
Датчики розміщені на голові. Вони вимірюють електричні потенціали , які створює головний мозок та магнітне поле .
Сенсори з’єднані з процесорним пристроєм, що розшифровує біопотенціали, а потім передає команди виконавчим пристроям.
Плюс: електроенцефалограма знімається безпосередньо з поверхні голови без болю. Це практично та дешево.
Мінус неінвазивного методу: сигнал відображатиме активність безлічі нервових клітин. Розшифровка не дасть інформацію , що дозволяє тонко керувати кіберпротезом.
Напівінвазивний
Електроди розміщені на поверхні мозку, що відкрита.
Мінус напівінвазивного методу: потрібна нейрохірургічна операція .
Інвазивний
Мікроелектроди розміщені у корі головного мозку. Вони фіксують активність одного нейрона .
Вживлені електроди разом з алгоритмом , що розшифровує активність нейронів, дозволяють керувати кіберпротезом силою думки.
Ілон Маск планує виробляти роботизовані кіберпротези, базуючись на досвіді створення андроїдів та чіпів , які вживлюють у мозок.
Крихітні процесори підключаються до мозку через найтонші нитки . Датчики розташовуватимуться на поверхні черепа і передаватиму інформацію на комп’ютер , що знаходиться за вухом.
Планується, що зовнішній приймач обмінюватиметься даними з вбудованим чіпом бездротової мережі, а потім підключатиметься до додатків .
Основна мета Neuralink — створити нейроінтерфейс без ризику відторгнення організмом, який вловлюватиме активність мозку та оброблятиме сигнали. Його вживлення буде нескладним і безболісним , як операція лазерної корекції зору.
Neuralink: нейронні інтерфейси
Як працює нейроінтерфейс кіберпротезу
Незалежно від розташування електродів, механізм роботи інтерфейсу “ мозг-комп’ютер “ однаковий:
- електроди вимірюють дрібні відмінності у напрузі між нейронами;
- сигнал посилюється та фільтрується;
- посилений та відфільтрований сигнал інтерпретується комп’ютерною програмою.
Таким чином, людина взаємодіє із зовнішнім світом на основі реєстрації електричної активності мозку – електроенцефалограми ( ЕЕГ ). Намір зробити якусь з дій змінює ЕЕГ , а комп’ютер фіксує та розшифровує зміни.
Найпростіші бажання людини, наприклад, повернути ліворуч або праворуч, рухатися вперед або назад, підняти або опустити руку перетворюються на сигнали , які перемикають режими активності кіберпротезу. Людина регулює їх у ходу, уявними командами, без додаткових пультів управління.
Проектування нейроінтерфейсів
Процес включає програмування та налаштування пристроїв, які керують протезами, інтерпретуючи електричні сигнали біологічних нейронів.
Як це реалізовано? Спочатку людина кілька разів подумки відтворює рухи , а мозок реагує на них електричною активністю . Алгоритмічні системи, що вміють розпізнавати образи, встановлюють відповідність цих намірів та змін ЕЕГ, а потім запам’ятовують їх.
При розробці враховуються фізіологія та психологія конкретного користувача. Коли людина захоче змінити режим руху, алгоритми визначать ознаки наміру, потім видадуть команди перемикання автоматики протеза в потрібний режим . Так штучна кінцівка адаптується до рухів у типових ситуаціях.
Як працює кіберпротез
Трансформовані кінцівки кіборга дають йому безмежний потенціал у житті та бою. Дії такого гаджета повністю автоматизовані. Власнику протезу достатньо лише подумати про якийсь рух, наприклад, підняти склянку — і біонічна рука слухняно виконає завдання.
Механізм автоматичного управління вбудований у кібернетичні протези. Цим кіберпротези відрізняються від механічних , в яких людина пересуває кінцівку зусиллями м’язів , що залишилися. Коли ви переставляєте кібер-ногу під час ходьби, ви не прораховуєте кут згинання коліна в процесі кроку – це відбувається на автоматі .
У кіберпротезу є двигуни та акумулятор , за фактом це нога, яка крокує самостійно , або рука, яка піднімає себе сама.
Протез щільно приєднаний до культу, тому при ходьбі додається менше зусиль, а рухи стають природнішими .
Фішка: темп та ширина кроку, як і інші параметри руху, налаштовуються під конкретну особистість .
Розробка концепції дизайну кіберпротезу
Кіберпротез – це гаджет, який компенсують вагу недостатньої кінцівки і допомагають тренувати м’язи , не дозволяючи їм атрофуватися . Завдання кіберпротезування – максимально природно замінити кінцівки.
Що вміють кіберпротези : 5 розширених можливостей
Кіберпротези дозволяють людям, які втратили кінцівки, жити повноцінним життям. Вони працюють від акумулятора , а всередині знаходяться плата та програмовані драйвера . Протез розширює можливості людини в очах інших людей та своїх власних.
На що здатні найкращі моделі?
| 1. Двигуна функція | Відтворення складних рухів Реакція на нервові імпульси Розвиток дрібної моторики |
| 2. Нарощування потенціалу | Підвищена сила та спритність Захоплення предметів із різною силою |
| 3. Реалістичний зовнішній вигляд | Комфорт та впевненість |
| 4. Зворотній зв’язок | Людина відчуває через протез кінцівки тиск та температуру |
| 5. Інтеграція з тілом | Плавний зв’язок між кіберпротезом та нервовою системою |
Фішка: різні види протезів в однієї людини.
Футуристичний варіант – для того, щоб привернути увагу та підкреслити свою особливість.
Косметичний – щоб відпочивати від уваги.
Кіберпротез руки
Життя із кіберпротезом
За допомогою вбудованих додаткових гаджетів люди оплачують покупки, проводячи рукою по терміналу, а також відстежують час і активність, дивлячись на розумний годинник. Крім того, можна регулювати стиснення руки та силу захоплення .
При проектуванні руки кіборга наголошується на дрібній моториці .
Користувачі найкращих моделей можуть:
- вдягати нитку в голку;
- фарбувати нігті;
- писати ;
- кататися на велосипеді ;
- працювати на верстатах .
Перший кіберпротез
Біонічний протез руки: промисловий дизайн для повноцінного життя
Принцип роботи: електроди перехоплюють нервові імпульси кукси, потім передають їх комп’ютеру , який вбудований у передпліччя. Комп’ютер дає команду шести моторам, і вони починають синхронно рухати плечем, ліктем та пензлем пристрою.
Ручні датчики допоможуть власнику вимірювати тиск і точно налаштовувати хват . Такий зразок розробляється під конкретну особистість.
Незвичайні моделі кіберпротезів
У штучну кисть вбудовуються моторчики , що керують пальцями. Режими кібернітичних рук перемикаються через мозок за допомогою нейроінтерфейсів . У цьому їхня відмінність від протезів, керованих м’язами кукси.
Кібер-рука управляється не м’язами кукси, а мозком . Мікрочіп вживлюється в мозок, реєструє сигнали, що йдуть від нейронів , а потім передає їх штучній кінцівці.
Фішка : рухи точні настільки, що можна грати на музичних інструментах .
Ведуться роботи над зворотним зв’язком кібернетичної руки, щоб вона не лише отримувала сигнали мозку, а й передавала тактильні відчуття.
Спеціальні датчики тиску, вбудовані в кінчики пальців, дозволяють кібернетичній руці вимірювати силу тиску або стиснення предмета. Потім ці сигнали передаються в мозок людини як вібротактильна стимуляція.
Датчик надає протезам рук відчуття дотику . Наприклад, датчик SynTouch Biotac вміє визначати температуру , тиск та вібрацію так само, як кінчик пальця людини. Він оснащений штучними відбитками пальців, щоби підвищити чутливість.
Фішка: сенсори відчувають різницю між матеріалами краще, ніж люди, у яких зав’язані очі, оскільки використовують 15 факторів для оцінки матеріалу: гладкість , тертя та термічні властивості.
Сигнал управління передається в подушечки біонічних пальців за допомогою електрода підключеного до нервової системи. Тактильний зв’язок реалізована передачею сигналу з кіберпротезу назад у нервову систему.
Фішка: дрібна моторика , людина керує кожним пальцем і відчуває його. У кібер-руки 9 ступенів волі, вага 740 г . Всі ручні приводи розташовані всередині , тому немає проблем із трансмісією. Серводвигуни оснащені прецизійним редуктором з енкодерами для точного позиціонування .
Кіберпротез ноги
Проектування протезів ніг відрізняються від проектування рук тим, що механіка простіше , немає дрібної моторики, а акцент робиться на правильному навантаженні та кінематиці .
Читайте також: Чому біонічні протези ніг цікавіші за механічні: промисловий дизайн
З інженерної точки зору кіберпротези ніг легше створити тому, що не потрібно імітувати точні рухи пальців . Складність в іншому: потрібна ефективна амортизація , інакше при швидкій ходьбі людини сильно хитатиме .
Це кібер-нога створена в американському Університеті Вандербільта. Безліч сенсорів визначають положення ноги в просторі, а безліч моторів починають у відповідь рухати штучні суглоби, тому людина легко сідає і піднімається . Важить такий кіберпротез ноги 4 кг . Заряду вистачає на півтижня у спокійному режимі, або на інтенсивну прогулянку на 10,5 км .
Фішка: м’язовий привід працює на монопаливі , так як воно потужніше і важить менше, ніж електродвигун .
Power Foot, кіберпротез , що імітує тиск ноги, створений професором Массачусетського технологічного інституту Х’ю Герром. Герр керує дослідженнями біомехатроніки, а робототехніку, що носиться, розробляє сам . Його думка – поняття інвалідності застаріває в міру того, як стирається кордон між людьми та роботами .
Професор розробляє конструкції, які інтегруються з нейромережами . Він аналізує рух людини, вивчає, як електронні пристрої взаємодіють із нервовою системою через нейроінтерфейс, а також використовує живі м’язи для їх активації .
Герр та його команда розробили функціональні та зручні протези, які реагують на тонкі команди нейронів . Наприклад, штучне коліно , яке адаптується до ходи людини
Підсумуємо
Кібернетичні протези – гібриди розуму та електроніки , яка з високим рівнем передачі управляє сигналами , що йдуть від мозку . Ми працюємо над тим, щоб управління протезом було інтуїтивним , а гаджет відчувався як власне тіло.
Замовте кіберпротез в студії промислового дизайну КЛОНУ , і ми спроектуємо надійний електронний пристрій , який втілить вашу ідею в життя. Наші розробники забезпечать комфортне зрощування людини та протезу, в результаті кібернетична кінцівка реагуватиме на сигнали мозку з тією ж швидкістю, що й жива .
