Senso de toque melhora o controle do braço robótico

Resumo: Adicionar um BCI que evoca sensações táteis torna mais fácil para os usuários manipular e usar próteses de braço robótico.

Fonte: Universidade de Pittsburgh

A maioria das pessoas saudáveis ​​dá como certa sua capacidade de realizar tarefas diárias simples – quando pegam uma caneca de café quente, podem sentir seu peso e temperatura e ajustar seu aperto de forma que nenhum líquido seja derramado. Pessoas com total controle sensorial e motor de seus braços e mãos podem sentir que fizeram contato com um objeto no instante em que o tocaram ou agarraram, permitindo que começassem a movê-lo ou levantá-lo com confiança.

Mas essas tarefas se tornam muito mais difíceis quando uma pessoa opera uma prótese de braço, quanto mais um braço controlado.

Em um artigo publicado hoje em Ciência, uma equipe de bioengenheiros dos laboratórios de engenharia neural da Universidade de Pittsburgh Rehab descreve como adicionar estimulação cerebral que evoca sensações táteis torna mais fácil para o operador manipular um braço robótico controlado pelo cérebro. No experimento, suplementar a visão com percepção tátil artificial cortou o tempo gasto para agarrar e transferir objetos pela metade, de um tempo médio de 20,9 para 10,2 segundos.

“Em certo sentido, isso é o que esperávamos que acontecesse, mas talvez não no grau que observamos”, disse a co-autora Jennifer Collinger, Ph.D., professora associada do Departamento de Medicina Física e Reabilitação Pitt. “O feedback sensorial de membros e mãos é extremamente importante para fazer coisas normais em nossas vidas diárias e, quando esse feedback está faltando, o desempenho das pessoas é prejudicado.”

O participante do estudo Nathan Copeland, cujo progresso foi descrito no artigo, é a primeira pessoa no mundo a ser implantada com minúsculos arranjos de eletrodos não apenas no córtex motor de seu cérebro, mas também em seu córtex somatossensorial – uma região do cérebro que processa sensorialmente informações do corpo. Os arranjos permitem que ele não apenas controle o braço robótico com sua mente, mas também receba feedback sensorial tátil, que é semelhante a como os circuitos neurais operam quando a medula espinhal de uma pessoa está intacta.

“Eu já estava bastante familiarizado tanto com as sensações geradas pela estimulação quanto com a execução da tarefa sem estimulação. Mesmo que a sensação não seja ‘natural’ – parece uma pressão e um leve formigamento – isso nunca me incomodou ”, disse Copeland. “Não houve realmente nenhum ponto em que eu sentisse que a estimulação era algo a que eu tinha que me acostumar. Fazer a tarefa enquanto recebia o estímulo simplesmente funcionava como PB&J. ”

Depois de um acidente de carro que o deixou com o uso limitado dos braços, Copeland se inscreveu em um ensaio clínico testando a interface cérebro-computador do microeletrodo sensório-motor (BCI) e foi implantado com quatro arranjos de microeletrodos desenvolvidos pela Blackrock Microsystems (também comumente chamados de arranjos de Utah )

Este artigo é um passo à frente de um estudo anterior que descreveu pela primeira vez como regiões sensoriais estimulantes do cérebro usando pequenos pulsos elétricos podem evocar sensações em regiões distintas da mão de uma pessoa, mesmo que ela tenha perdido a sensibilidade em seus membros devido à medula espinhal prejuízo.

Neste novo estudo, os pesquisadores combinaram a leitura das informações do cérebro para controlar o movimento do braço robótico com a escrita de informações de volta para fornecer feedback sensorial.

Em uma série de testes, onde o operador BCI foi solicitado a pegar e transferir vários objetos de uma mesa para uma plataforma elevada, fornecer feedback tátil por meio de estimulação elétrica permitiu ao participante completar tarefas duas vezes mais rápido em comparação com os testes sem estimulação.

Isso mostra dois braços robóticos
Em uma série de testes, onde o operador BCI foi solicitado a pegar e transferir vários objetos de uma mesa para uma plataforma elevada, fornecer feedback tátil por meio de estimulação elétrica permitiu ao participante completar tarefas duas vezes mais rápido em comparação com os testes sem estimulação. A imagem é de domínio público

No novo artigo, os pesquisadores queriam testar o efeito do feedback sensorial em condições que se assemelhassem ao mundo real tanto quanto possível.

“Não queríamos restringir a tarefa removendo o componente visual da percepção”, disse o co-autor Robert Gaunt, Ph.D., professor associado do Departamento de Medicina Física e Reabilitação Pitt. “Quando mesmo a sensação limitada e imperfeita é restaurada, o desempenho da pessoa melhorou de forma bastante significativa. Ainda temos um longo caminho a percorrer em termos de tornar as sensações mais realistas e levar essa tecnologia para as casas das pessoas, mas quanto mais perto pudermos chegar de recriar as entradas normais para o cérebro, melhor seremos. ”

Os autores adicionais deste estudo incluem Sharlene Flesher, Ph.D., Jeffrey Weiss, MS, Christopher Hughes, MS, Angelica Herrera, BS e Michael Boninger, MD, todos de Pitt; John Downey, Ph.D., da Universidade de Chicago; e Elizabeth Tyler-Kabara, MD, da Universidade do Texas em Austin.

Financiamento: Este trabalho foi apoiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) e Centro de Sistemas de Guerra Espacial e Naval do Pacífico (SSC Pacífico) sob o Contrato nº N66001-16-C-4051 e o programa de Próteses Revolucionárias (Contrato nº N66001-10- C-4056).

Sobre esta notícia de pesquisa de robótica

Fonte: Universidade de Pittsburgh
Contato: Anastasia (Ana) Gorelova – Universidade de Pittsburgh
Imagem: A imagem é de domínio público

Pesquisa original: Acesso fechado.
“Uma interface cérebro-computador que evoca sensações táteis melhora o controle do braço robótico” por Jennifer Collinger et al. Ciência


Resumo

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Isso mostra um cérebro

Uma interface cérebro-computador que evoca sensações táteis melhora o controle do braço robótico

Braços protéticos controlados por uma interface cérebro-computador podem permitir que pessoas com tetraplegia realizem movimentos funcionais. No entanto, a visão fornece feedback limitado porque as informações sobre como agarrar objetos são mais bem retransmitidas por meio de feedback tátil.

Nós suplementamos a visão com percepções táteis evocadas usando uma interface cérebro-computador bidirecional que registra a atividade neural do córtex motor e gera sensações táteis através da microestimulação intracortical do córtex somatossensorial.

Isso permitiu que uma pessoa com tetraplegia melhorasse substancialmente o desempenho com um membro robótico; os tempos de ensaio em uma avaliação clínica do membro superior foram reduzidos pela metade, de um tempo médio de 20,9 para 10,2 segundos.

Os tempos mais rápidos se deviam principalmente ao menor tempo gasto tentando agarrar objetos, revelando que a imitação de princípios de controle biológico conhecidos resulta em desempenho de tarefas que está mais próximo das habilidades humanas saudáveis.

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