Gebruik uw brein om een robothand te controleren

Wie droomt er niet van gedachtgestuurde toepassingen? Ingenieur Gil Lauwers ontwikkelde voor zijn master thesis een brein-computer interface om een robothand te controleren.

Je zit rustig tegenover een tafel waarop een robothand is geplaatst. Concentreer en visualiseer een beweging van je echte hand maar blijf stilzitten. Eerst blijft de robothand rustig, maar ineens starten de mechanische vingers te bewegen…

Mensen zijn altijd gefascineerd geweest voor het menselijk brein. Dit complex orgaan is opgebouwd uit miljarden neuronen die elektrische signalen produceren. Deze elektrische activiteit kan registreerd worden via elektroden. Die elektroden kunnen in de hersenen geïmplanteerd worden of op het hoofd geplaatst zijn. Geïmplanteerde elektroden geven betere signalen maar mensen zijn nog niet bereid voor dergelijke chirurgische ingrepen. De meeste apparaten gebruiken dus elektroden die met een speciale kap op het hoofd geplaatst bevestigd worden. Hiermee is het enkel mogelijk de elektrische signalen van grote groepen van neuronen te registreren. Inderdaad, deze signalen zijn zeer verzwakt door de schedel, huid en haar. Bovendien is het aantal elektroden zeer gering vergeleken met het aantal neuronen. Medische apparaten gebruiken bijvoorbeeld maximum honderden elektroden. Dit is vergelijkbaar met het gebruik van enkele microfoons, geplaatst buiten een kamer om de discussies van duizenden mensen binnen die kamer te registreren.

Daarom is het nodig deze gedigitaliseerde signalen met complexe algoritmen te analyseren. Die algoritmen zijn gebaseerd op AI-technieken. De implementatie van dergelijk leerprogramma is heel moeilijk maar in praktijk is de manier op welke die programma’s leren vergelijkbaar met de manier waarop mensen leren. Ouders kunnen bijvoorbeeld hun kind leren wat het verschil is tussen klein en groot door voorbeelden van beide categorieën te geven. Daarna kan het kind proberen zelf nieuwe dingen in de correcte categorie te classificeren op basis van de gekregen voorbeelden. Het algoritme dat G. Lauwers heeft geïmplementeerd werkt op dezelfde manier. Eerst worden de hersenensignalen die corresponderen met een mentale visualisatie van de grijpbeweging van de hand geregistreerd. Tegelijkertijd moeten de signalen tijdens rusttijden ook geregistreerd worden. Daarvoor moet je een training sessie ondergaan. Op een scherm worden de instructies gegeven om om rustig te blijven en om de grijpbeweging te visualiseren. Het algoritme gebruikt daarna de geregistreerde data om het verschil tussen beide categorieën te begrijpen. Als dit voorbij is kan het algoritme nieuwe data proberen te classificeren. De brein-computer interface is nu klaar om je gedachten in bewegingen van de robothand om te zetten.

De ontwikkelde methode werd eerst getest met openbare data. Inderdaad, bekende onderzoekcentra verstrekken data zodat verschillende algoritmen op dezelfde basis vergeleken kunnen worden. Brein-computer interface wedstrijden zijn zelfs georganiseerd op basis van die data. Nadat gelijkwaardige resultaten werden bereikt, werd de methode van G. Lauwers uitvoerig getest met 23 deelnemers, waarvan er 17 mensen erin geslaagd zijn om de robothand onder controle te krijgen. Controle betekent hier dat in de overgrote deel van de tijd, de robothand de beweging uitvoerde corresponderend met wat de persoon in gedachten had. Soms beweegt de robothand niet hoewel je je hard aan het concentreren bent, en soms beweegt de hand zonder dat je het wil.  Het classificeren van hersenensignalen is inderdaad niet zo gemakkelijk als het classificeren van grootte. In het onderzoek van G. Lauwers was die controle beperkt tot een twee klassen probleem: openen of sluiten. Dat is de kost voor het gebruik van niet geïmplanteerde elektroden en de noodzaak om de trainingstijd voor proefpersonen te beperken onder 30min.

Dit interdisciplinair onderzoekthema werd door de ‘Robotics & MultiBody Research Group’ van de Vrije Universiteit van Brussel en door de ‘Consciousness, Cognition & Computation Group’ van de Université Libre de Bruxelles ondersteund. De eerstgenoemde onderzoekgroep concentreert een grote deel van zijn onderzoekactiviteiten rond prosthesen en exoskeletons. De ontwikkeling van die brein-computer interface is een eerste stap op weg naar gedachtgestuurde prosthesen. In de toekomst zouden dergelijk prosthesen bijvoorbeeld door mensen met een verlamming bediend kunnen worden. De andere onderzoekgroep bestudeert onder andere psychologisch effecten verbonden met de controle van een kunsthand. De ontwikkelde technologie zal verder door de psychologen gebruikt worden voor diepere inzichten in die psychologische effecten zoals het gevoel van lichaamseigenheid. Wat op zijn beurt zal leiden tot de ontwikkeling van beter prosthesen.

Die toepassingen zijn maar een kleine glimp van wat mogelijk zal zijn in de toekomst. De interactie tussen de menselijke hersenen en de computers is inderdaad veelbelovend. De bekende entrepreneur Elon Musk heeft bijvoorbeeld dit jaar een nieuw bedrijf opgericht: Neuralink. De doelstelling van Neuralink is de ontwikkeling van apparaten die in het brein geimplanteerd zouden worden om onze hersenen met een computer te koppelen. Volgens Elon Musk zullen de eerste producten van Neuralink in 2021 op markt zijn.