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贴片“膏药”就能意念操控轮椅:脑机接口无需植入,准确率超90

2019-10-23 08:17:25
只要在脖子后面贴一张薄薄的软软的“膏药”,再套一条时尚的发带,不用植入任何设备,也不用注射奇怪的试剂,就能用意念来控制机器了。系统能读懂人的心,经过6个人类亲身测试,接收每个指令的准确率,都超过了90

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你能想象一个脑-机接口,帽子上有很多洞,脑袋上有一个蜂巢吗?

三角洲我公司的一个普小妹妹

不不不现在不行。

只要你在脖子后面贴上一层薄薄的柔软的“膏药”和一条时髦的发带,你就可以不用植入任何设备或注射奇怪的试剂,用你的头脑来控制机器。

例如,脑电波控制轮椅:

老番茄的δ

啊,不,是这样的:

三角洲加速了

向前,向后,向左,向右。

这个系统可以读取人们的心。经过六次人体测试,每条指令的接收准确率超过90%。

这样,高位截瘫的人可以出去玩他们的大脑。

这是佐治亚理工学院的杨焕红教授。他带领团队成员使用通过深入研究开发的新型脑-机接口登上《自然》的《机器智能杂志》。

它不仅能控制轮椅,还能帮助小机器人灵活移动:

三角洲加速了

它很薄,但很深。

佐治亚理工学院的可穿戴脑-机接口明显比传统设备轻得多,只有一根发带和一个石膏。

他们把它命名为skintronics。

这套新设备实际上是新型纳米薄膜电极、柔性电子设备和深度学习算法的结合。

就硬件而言,主要有三个组件。

首先,它是一种高度柔性的、安装在头发上的电极。电极可以通过头发与头皮直接接触。

传统的“湿”电极与导电凝胶耦合以完全捕获信号,这需要大量时间来设置和执行定期维护。此外,水基凝胶将随着时间的推移而蒸发,导致皮肤电极接触阻抗的衰减。

相比之下,skintronics使用的干式电极具有更好的性能。

当施加稍微向下的压力时,干式发电机的导电柔性弹性体腿将稍微打开以更好地与头皮接触。

其次,它是超薄纳米薄膜电极。

这块皮肤状电极具有网状结构,可以通过气雾喷射印刷拉伸。这种设计可以减少运动伪影并增强皮肤和电极之间的接触阻抗。

整个系统实际上使用三个用发带固定的弹性头皮电极。皮肤状印刷电极放置在耳朵后面,通过柔性薄膜电缆连接到皮肤电子系统。

最后,它是“石膏”——柔性无线电子设备。

通过微制造技术、材料转移印刷和软硬件组件集成相结合,将多通道柔性电子系统封装在软弹性薄膜中。

足够柔软,可弯曲180度,不会对设备造成不利影响。

这个灵活的电路集成了蓝牙模块(Bluetooth module),其中大脑记录的脑电图数据将被处理,然后通过蓝牙传输到电脑,有效范围为15米。

然而,光靠传感器是不够的。

在两个问题面前交叉:

如果有误解,就没有办法按照人类的想法来控制轮椅。

因此,研究者们想到了深入研究。

有线电视新闻网必须学会根据脑电图信号准确分析人类指令。

人类发出指令的方式是采取某些行动:闭上眼睛,看上面,看下面,看左边,看右边。不同的动作有不同的脑电图信号:

三角洲加速了

Ai根据不同的频率(hz)将信号分为5类,相应的指令是:

训练有素的cnn已经学习了一组更有助于分类的参数,并且可以被获取。

因为它们代表电极所处的位置,所以信号更有用。毕竟,在不同地点采集的信号质量是不一样的。

消除一些信号微弱的电极可以有效地减少传感器的数量。只有最佳位置的电极被保留,这也有助于人工智能理解人类的意图。

研究人员说人工智能不需要事先知道特定的信号类型,当传统方法难以分解特征时,深入学习是有用的。

离线训练完成后,该小组对6个人进行了轮椅控制测试。

结果,人工智能对四条指令的判断准确率达到90%以上。

奏效了。

然而,正如开始时提到的,这套说明可以用来控制轮椅以外的东西。

小机器人的运动也可以由它来控制:

三角洲加速了

即使在播放课件时,也需要使用:

三角洲加速了

可能,也可以用来玩游戏。

当然,这项研究的价值不仅限于此。

协助病理学研究

经典的脑电图系统必须覆盖大部分头皮才能获得信号。在应用中,它无疑给用户带来了生理和心理压力。

然而,这样一个小型的、可穿戴的脑-机接口设备将改变这种情况,并给运动障碍者带来更多的便利。

该论文的通讯作者Yeo woon-hong说,下一步的研究将集中在全弹性无线自粘电极的研究上。这种电极可以直接安装在有头发的头皮上,而不需要借用发带的力量。

此外,它们将进一步使电子设备小型化,以集成更多的电极。这样,皮肤电子系统可用于检测运动障碍患者的运动诱发电位或运动想象,并为未来的治疗应用研究服务。

注:运动心理形象指的是一个人在心理上模拟/复述某种行为的过程,可用于心理康复。

在论文的另一位作者奥黛丽.杜阿尔特的睡眠研究中,这个简单的脑电图监测系统已经被用来监测人们在自己家中睡觉时的神经活动。

使用以前的设备,这种研究只能在实验室进行,这也会使受试者感到相当不舒服。

也许,对阿尔茨海默病等复杂疾病的神经病理学研究也将在这方面取得新的突破。

研究团队

本文的通讯作者是杨焕红,佐治亚理工学院机械工程与生物医学工程系助理教授。

杨焕红毕业于韩国仁学大学,2011年获得华盛顿大学博士学位,17年后成为佐治亚理工学院助理教授。

吴洪耀的弟子穆萨·马哈茂德(Musa mahmood)一直跟随耀从弗吉尼亚联邦大学(vcu)到佐治亚理工学院,目前在耀的研究小组学习。

研究小组还包括杨永强研究小组的金云松、萨斯瓦特·米什拉和罗伯特·赫伯特、佐治亚理工学院心理学副教授奥黛丽·杜阿尔特(audrey duarte)、肯特大学的德奥格雷西亚·穆祖里库沃(deogratias mzurikwao)和威奇托州立大学的李永宽(yongkuk lee)。

入口

论文地址:

https://www.nature.com/articles/s42256-019-0091-7

-完毕-

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