U Novu Neuroprosteticu hè un Avanzamentu di Robotica AI

I scientisti di l'EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) in Svizzera anu annunziatu a creazione di un primu mundiale per u cuntrollu roboticu di e mani - un novu tipu di neuroprotesi chì unifica u cuntrollu umanu cù l'intelligenza artificiale (AI) automazione per una più grande destrezza robotica è anu publicatu a so ricerca in Sittembre 2019 in Intelligenza Macchina Natura .

Neuroprostesi (protesi neurali) sò dispositivi artificiali chì stimulanu o miglioranu u sistema nervosu per mezu di stimolazione elettrica per compensà carenze chì influenzanu e abilità motorie, a cognizione, a visione, l'audizione, a cumunicazione, o abilità sensoriali. Esempii di neuroprotesi includenu interfacce cerebrale-computer (BCI), stimolazione cerebrale profonda, stimolatori di a medula spinale (SCS), impianti di cuntrollu di a vescica, impianti cocleari è pacemaker cardiaci.

U valore protesicu di i membri superiori in u mondu sanu supera i 2,3 miliardi di USD da u 2025, secondu e cifre di un rapportu d'aostu 2019 da Global Market Insight. In 2018, u valore di u mercatu mundiale hà righjuntu un miliardu di USD basatu annantu à u listessu rapportu. Si stima chì dui milioni d'Americani sò amputati, è ci sò più di 185.000 amputazioni fatte ogni annu, secondu u Centru Naziunale d'Infurmazione di a Perdita di i membri. A malatia vascular conta per 82 per centu di l'amputazioni americani secondu u rapportu.

Una protesi mioelettrica hè aduprata per rimpiazzà e parti di u corpu amputate cù un membru artificiale alimentatu esternamente chì hè attivatu da i musculi esistenti di l'utente. Sicondu a squadra di ricerca EPFL, i dispositivi cummerciali dispunibuli oghje ponu dà à l'utilizatori un altu livellu di autonomia, ma a destrezza ùn hè mancu à pocu pressu agile cum'è a manu umana intatta.

«I dispositivi commerciali usanu generalmente un sistema di dui canali di registrazione per cuntrullà un unicu gradu di libertà; vale à dì, un canale SEMG per a flessione è unu per l'estensione ", anu scrittu i ricercatori di l'EPFL in u so studiu. "Mentre intuitivu, u sistema furnisce poca destrezza. E persone abbandunanu e protesi mioelettriche à tassi elevati, in parte perchè sentenu chì u livellu di cuntrollu hè insufficiente per meritu u prezzu è a cumplessità di sti dispositivi ".

Per affruntà u prublema di a destrezza cù e protesi mioelettriche, i ricercatori di l'EPFL anu pigliatu un approcciu interdisciplinariu per stu studiu di prova di cuncettu cumbinendu i campi scientifichi di neuroingegneria, robotica è intelligenza artificiale per semi-automatizà una parte di u cumandamentu di u mutore per "cumunu cuntrollu. "

Silvestro Micera, Catedra di Neurotecnica Traslazionale di a Fundazione Bertarelli di l'EPFL, è Prufessore di Bioelettronica à a Scuola Superiore Sant'Anna in Italia, vede questu approcciu cumunu per u cuntrollu di e mani robotiche pò migliurà l'impattu clinicu è l'usabilità per una vasta gamma di scopi neuroprotetici cum'è u cervellu -interfacce à macchina (BMI) è mani bioniche.

"Una ragione per chì e protesi cummerciali usanu più cumunemente decodificatori basati in classificatori invece di proporzionale hè perchè i classificatori restanu più robusti in una postura particulare", anu scrittu i circadori. "Per piglià, stu tipu di cuntrollu hè ideale per prevene a caduta accidentale ma sacrifica l'agenzia di l'utilizatori limitendu u numeru di pussibuli posture di manu. A nostra implementazione di u cuntrollu cumunu permette sia l'agenzia di l'utente sia a robustezza. In u spaziu liberu, l'utilizatore hà un pienu cuntrollu nantu à i movimenti di e mani, chì permette ancu una prefigurazione volizionale per afferrà ".

In questu studiu, i ricercatori di l'EPFL anu focalizatu nantu à u cuncepimentu di l'algoritmi di u software-u hardware roboticu chì era furnitu da partiti esterni hè custituitu da una Mano Allegro muntata nantu à u robot KUKA IIWA 7, un sistema di fotocamera OptiTrack è sensori di pressione TEKSCAN.

I scienziati EPFL anu creatu un decodificatore cinematicu proporzionale creendu un perceptron multistrato (MLP) per amparà à interpretà l'intenzione di l'utente per traduce in muvimentu di dita nantu à una manu artificiale. Un perceptron multistratu hè una rete neurale artificiale avanzata chì utilizza a prupagazione di ritornu. MLP hè un metudu di apprendimentu prufondu induve l'infurmazioni avanzanu in una direzzione, versus in un ciclu o ciclu attraversu a rete neurale artificiale.

L'algoritmu hè furmatu da i dati di ingressu da l'utilizatore chì realizanu una seria di movimenti di mani. Per un tempu di cunvergenza più veloce, u metudu Levenberg-Marquardt hè statu adupratu per adattà i pesi di a rete invece di discendenza à gradiente. U prucessu di furmazione full-model hè statu veloce è hà pigliatu menu di 10 minuti per ognunu di i sughjetti, rendendu l'algoritmu praticu da una prospettiva d'usu clinicu.

"Per un amputatu, hè in realtà assai difficiule di cuntrattà i musculi assai, assai modi diversi per cuntrullà tutti i modi chì i nostri ditti si movenu", hà dettu Katie Zhuang à u Laboratorio di Ingegneria Neurale Traslazionale di l'EPFL, chì hè statu u primu autore di u studiu di ricerca . "Ciò chì femu hè di mette questi sensori nantu à u so ceppu rimanente, è poi li registramu è pruvemu à interpretà ciò chì sò i signali di u muvimentu. Perchè questi segnali ponu esse un pocu rumorosi, ciò chì avemu bisognu hè questu algoritmu di apprendimentu machine chì estrae attività significativa da questi musculi è li interpreta in movimenti. E questi movimenti sò quelli chì cuntrolanu ogni dittu di e mani robotiche ".

Perchè e previsioni di a macchina di i muvimenti di e dite ùn ponu micca esse precise per centu per centu, i ricercatori di l'EPFL anu incorporatu l'automatizazione robotica per abilità a manu artificiale è per cumincià automaticamente à chjude intornu à un oggettu una volta fattu u cuntattu iniziale. Se l'utente vole liberà un oggettu, tuttu ciò ch'ellu deve fà hè di pruvà à apre a manu per spegne u controller roboticu, è rimette l'utente in cuntrollu di a manu.

Sicondu Aude Billard chì dirige l'Algoritmi di Apprendimentu è u Laboratoriu di Sistemi, a manu robotica hè capace di reagisce in 400 millisecondi. "Dotatu di sensori di pressione longu à e dita, pò reagisce è stabilizà l'ughjettu prima chì u cervellu possa capisce chì l'oggettu scivola", hà dettu Billard.

Applicendu l'intelligenza artificiale à a neuroingegneria è a robotica, i scienziati di l'EPFL anu dimustratu u novu approcciu di cuntrollu cumunu trà l'intenzione di a macchina è di l'utente - un avanzamentu in a tecnulugia neuroprotetica.

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