Подросток создал продвинутый протез руки

Десять лет назад, когда Бенджамин Чой еще учился в третьем классе, он посмотрел документальный фильм “60 минут” про протез руки управляемый мыслью. Исследователи имплантировали крошечные датчики в кору головного мозга пациентки и она смогла двигать роботизированной рукой, используя только свой мозг. Чой был очарован этой концепцией, сравнив ее с чем-то из фильма «Звездные войны».

В то время я был очень, очень поражен, потому что эта технология была такой впечатляющей.
Но меня беспокоило то, что им требуется эта по настоящему рискованная операция на открытом головном мозге. А сами протезы настолько недоступны, что стоят сотни тысяч долларов.

Годы спустя, когда в 2020 году разразилась пандемия, Чой — теперь десятиклассник, живущий в Вирджинии, — внезапно обнаружил, что у него очень много свободного времени. Школьная лаборатория, в которой он планировал провести лето, закрылась. Но документальный фильм, который он видел много лет назад, запал ему в душу. Школьник решил использовать свободное время, чтобы самому изготовить протез руки.

В своей импровизированной лаборатории, прямо на столе на столе для пинг-понга (где он иногда работал по 16 часов в день!), Чой самостоятельно разработал первую версию своей роботизированной руки, используя 3D-принтер своей сестры за 75 долларов.
Принтер не мог печатать детали длиной больше 12 см, поэтому Чой «распечатал» детали руки из мелких частей и скрепил все болтами и резиной. В общей сложности на печать ушло около 30 часов. Эта версия работала с использованием данных мозговых волн и жестов головы.

У него был относительно большой опыт создания роботов и программирования. Он участвовал в соревнованиях по робототехнике на уровне начальной, средней и старшей школы, и даже несколько раз ездил на чемпионаты мира. Начиная с девятого класса, он самостоятельно изучал языки программирования Python и C++, проводил много времени на специализированных сайтах для программистов.
Кстати, Чой разместил в общем доступе инструкции, чтобы любой мог создать свой собственный вариант протеза руки.

После более чем семидесяти пяти вариантов и прототипов, управляемая силой мысли роботизированная рука Бенджамина теперь изготовлена из соответствующих материалов, способных выдерживать вес до четырех тонн. Он работает с использованием алгоритма, управляемого искусственным интеллектом (ИИ), который интерпретирует мозговые волны пользователя. Стоимость протеза составляет всего 300 долларов — это намного меньше по сравнению с тем, что сейчас есть на рынке. Более простой, приводимый в действие телом протез верхней конечности стоит около 7000 долларов. По состоянию на 2015 год очень продвинутый модульный протез конечности с полной рукой, который имеет 26 суставов, сотни датчиков, стоил около 500 000 долларов, в сочетании с операцией по перенаправлению нервов, которые когда-то управляли рукой, протез позволяет пациентам мысленно управлять конечностью и даже чувствовать ее текстуру. Но цена делает его недоступным для большинства нуждающихся.

Созданные протез руки принес Чой, 17-летнему выпускнику школы Потомак в Вирджинии, место в топ-40 финалистов конкурса Regeneron Science Talent Search. Это старейший и самый престижный в США конкурс по естественным наукам и математике для старшеклассников. В этом году первое место заняла Кристин Йе из Саммамиша, штат Вашингтон, которая разработала способ анализа гравитационных волн, испускаемых при столкновениях между нейтронными звездами.

Для меня очень много значит увидеть, что моя работа получила такое признание.
Я определенно очень благодарен [судьям] за то, что стал финалистом.

По приблизительным оценкам, в одних Соединенных Штатах 2 миллиона человек живут с потерей конечности, а каждый год происходит около 185 000 ампутаций. Всемирная организация здравоохранения заявляет, что только каждый десятый человек, нуждающийся в вспомогательных средствах, включая протезы, имеет к ним доступ, а причина банальна — “высокая стоимость” и “недостаточная осведомленность, доступность, а также отсутствие политики и финансирования”.

Как работает протез руки от Чои

Рука Бенджамина использует электроэнцефалографию, или ЭЭГ, чтобы избежать хирургических методов «внедрения» других протезов. Устройства ЭЭГ регистрируют электрическую активность мозга с помощью датчиков, размещенных на голове.

Они часто используются в медицине для диагностики эпилепсии или других заболеваний головного мозга.

Его система использует два электрода: датчик базовой линии, который крепится к мочке уха, и другой на лбу, который собирает данные ЭЭГ. Электрод на лбу улавливает информацию о мозговых волнах, которая отправляется на микрочип в протезе руки через Bluetooth. Созданная Чои модель ИИ, встроенная в чип, расшифровывает данные и преобразует их в прогноз того, о чем думает мозг. Рука также двигается с помощью поворота головы.

Через шесть месяцев после того, как он начал создавать руку, он разместил на YouTube видео, демонстрирующее ее ловкость. Протез привлек внимание Джозефа Данна, инвалида с ампутированной рукой из Пенсильвании. Бен начал удаленно консультироваться с ним по поводу дизайна и функциональности.

Работа с мистером Даном сделала этот проект действительно впечатляющим, по-настоящему вдохновляющим и мотивирующим
Может быть, это звучит немного банально, но я думаю, что вы действительно можете помочь людям с помощью инженерии и технологий.

В 2021 году молодой изобретатель получил финансирование от Массачусетского технологического института, чтобы продолжить свои исследования и работать с экспертами университета. Около шести месяцев он экспериментировал с облачными вычислениями, чтобы сделать руку совместимой с Интернетом.

Но это оказалось непрактичным.
Во-первых, протезу требовалось слишком много времени, чтобы отреагировать на мысли пользователя. Во-вторых, пользователю постоянно нужно будет подключаться к Wi-Fi, а это непрактично, объяснил юный изобретатель.
Вместо этого он изменил свою модель искусственного интеллекта, которая теперь содержит несколько подмоделей, и сохранил ее в двухъядерном микрочипе внутри протеза.
Чтобы её разработать, школьник стал сотрудничать с шестью взрослыми добровольцами, собирая данные об их мозговых волнах в своей школе и дома. Собирая данные с помощью электрода на лбу, он попросил каждого участника сосредоточиться на сжатии и разжатии своей руки.

Он обучил ИИ различать сигналы мозга, и теперь модель ИИ постоянно учится на основе мозговых волн пользователя.

“Чем больше вы его используете, тем больше он точно определяет, как вы думаете, каковы паттерны ваших мозговых волн, пока со временем точность действительно значительно не возрастет для вас”, — объясняет Бенджамин.

В общей сложности алгоритм содержит более 23 000 строк кода, 978 страниц вычислений и семь совершенно новых подалгоритмов. Алгоритм Бена работает со средней точностью 95 процентов. Он говорит, что предыдущий «золотой стандарт» для аналогичной искусственной нейронной сети составлял 73,8 процента.

Брок Вестер, инженер-биомедицины из Университета Джона Хопкинса с опытом работы в области нейропротезирования, говорит, что технология Чой впечатляет, особенно если учесть, что над протезом в документальном фильме “60 минут” работала большая команда исследователей, в то время как Бен сам спроектировал всю руку.

Вестер:

То, что он смог построить эту конечность, разработать для нее элементы управления и алгоритмы для декодирования нейронных сигналов в режиме реального времени для отправки этих управляющих сигналов… я думаю, это просто замечательно
Он должен продолжать заниматься исследованиями в этой области, потому что я думаю, что он может внести очень большой вклад в медицину протезирования.

Вестер отмечает, что Бену еще предстоит поработать над некоторыми инженерными разработками, особенно когда речь идет о том, как конечность соединяется с телом. Пока прототип крепится на неподвижной стойке. Чой говорит, что в конечном итоге он разработает специальный «переходник», но этот процесс потребует индивидуальной настройки для каждого пользователя.

Прошлым летом Чой был выбран стипендиатом в Университете Стоуни Брук, где он удаленно работал совместно с Джи Лю, профессором кафедры электрической и вычислительной техники, над алгоритмом машинного обучения своего ИИ, хотя Лю говорит, что он дал Бену всего несколько советов об алгоритмах, Чой самостоятельно проработал более мелкие детали.

Новизна проекта Бенджамина заключается в том, что он “применил самые современные методы машинного обучения к своей системе роботизированной руки”, — говорит Лю, добавляя, что функциональность этого недорого протеза сравнима с более передовым (а значит значительно выше по цене) оборудованием.

“Он не только очень умен, но и очень много работает и независим”, — говорит Лю о Чхве. “Как ни странно, но это тоже довольно выдающийся показатель по сравнению с аспирантами, с которыми я обычно работаю”.

Сам Беджамин Чой планирует изучать инженерное дело в колледже и хочет продолжать совершенствовать свой протез руки. Он нацелен на проведение клинического исследования с участием пациентов с потерей верхних конечностей. Он уже получил два предварительных патента на свое изобретение: один на нейропротез и один на алгоритм интерпретации мозговых волн.

“Интерпретация мозговых волн — это действительно большая и развивающаяся область”, — говорит он. “Мой алгоритм является лучшим из всех алгоритмов, описанных в литературе, с довольно значительным отрывом. Я думаю, что в будущем он может иметь большое применение ”.

Пожелаем удачи юному изобретателю! Скорее всего, он станет причиной и для других позитивных новостей.

Больше позитивных историй:
Пара решила уволиться и путешествовать

Использованы материалы:

https://www.instructables.com/Creating-a-Working-Brain-Controlled-Transhumeral-P/

https://www.stonybrook.edu/simons/