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猴子大脑控制太平洋另一边的机器人行动
2008-01-16 11:14   来源:网易

【ICXO.com编者按】

世界经理人科技频道[http://tech.icxo.com]2008年1月16日编:据美国媒体报道,上周四,美国一只名为艾多亚的猴子通过其大脑思维活动让远在日本的一个名为电脑大脑的类人机器人在跑步机上行走。如果这只猴子会说话的话,她将会有更加惊人的表现。艾多亚重约5.5公斤、高约81厘米,而此机器人重约91公斤、高1.52米。艾多亚美国北卡罗来纳州,而机器人在日本。

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图为 实验示意图

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图为 杜克大学的尼科乐利斯博士(左)和日本东京的陈戈登与机器人在一起作测试

美国杜克大学神经科学家尼科乐利斯博士表示,这是首次将大脑信号用于控制机器人行走。尼科乐利斯博士的实验室设计并实现此项实验。2003年,尼科乐利斯博士的小组证实,猴子能利用其思维来控制一个机器手臂的伸展和抓握。尼科乐利斯博士表示,这些实验是开发大脑机器界面的第一步,将来可以让四肢瘫痪的患者通过其思维来控制行走工具,以达到行走的目的。届时,植入人类大脑中的电极将可以将信号输送到屁股上配戴的如手机或寻呼机之类的装备上,然后再由此装备将这些信号转播给一对戴在腿上的背带――一种外用的骨架。他说:“当这人想行走时,此背带就会行走。”

美国加州理工学院从事这种类似系统开发的理查德A. 安徒生没有参与此项研究,表示说这是“用脑机界面实现运动的一个重大进步。”另一专家、芝加哥大学的教授尼可·哈特索波罗斯表示,此实验是“一个令人激动的进展。使用外骨骼将会硕果累累。”

所谓脑机界面是让人类或动物利用大脑活动来控制外在装备的系统。但至今还在寻找将电极安全植入人体大脑的办法,而且,大多数研究还集中在动物实验上。

预测猴子运动的准确率达90%

为准备这一实验,研究人员首先训练艾多亚在跑步机上直立行走。他们让这只母猴用手抓住跑步机的支架,当她以不同速度,向前和向后行走15分钟,一周行走3天,天天以葡萄干和雀巢脆谷乐加以款待。就这样一共训练了2个月,她才真正熟练跑步机上的直立行走生涯。期间,研究人员将电极植入艾多亚一个叫腿脚区的大脑区域,记录250-300个神经元的活动。当她行走时,这些神经元就会激活。当她的脚踝、膝关节和髋关节运动时,一些神经元也会活跃起来。当她的脚接触地面时,另一些神经元会有所反应。而当她预备运动时,一些神经元也被激活。世界经理人科技频道[http://tech.icxo.com]

为获得艾多亚腿脚运动模式的详细情况,研究人员还用荧光标记物描绘了她的脚踝、膝关节和髋关节的运动,用一台专用的高速照相机来拍摄她运动的录相带。之后,研究人员将此录相带和大脑细胞的活跃性结合起来,将其编写成电脑能读懂的语言格式。在她出现动作之前的3、4秒钟内,此格式预测艾多亚腿脚运动的准确率达90%。

机器人的运动与猴子的感受非常吻合

上周四,准备测试的艾多亚踏上跑步机,大脑植入电极的她以稳定的速度开始行走。她的行走模式和大脑信号被收集起来,反馈给电脑,之后再通过高速网络连接传输给日本东京的电脑大脑机器人(简称CB)。如同人一样,此机器人也有同样的运动方式。它能跳、蹲和踩,并能用其脚上埋植的传感器感知地面,当它被人推挤时,它也不会倒。

此机器人由东京ATR电脑神经科学实验室的陈戈登(音译)及其同事设计的。之所以挑选它来做这项实验是因为它特别能模仿人类的运动。当艾多亚的大脑信号传输到机器人的刺激器时,猴子的工作就是让此机器人通过她的大脑活动实现稳步行走。在她的跑步机前面有一个巨大的屏幕,里面能看到机器人的腿脚在运动,如果她能让机器人的膝关节运动与她自己的腿部运动相一致,她就可以获得奖赏。

当艾多亚行走时,机器人也正好以同样的步伐在行走。来自猴子大脑的记录表明,她每次迈步和机器人每次迈步,她的神经元都在活动。尼科乐利斯博士说:“它正在行走!对机器人来说,这是一小步,但对类动物来说,这是一个巨大的进步。”来自艾多来大脑的信号输送到了机器人大脑中,机器人的录相又反送给艾多亚,来回时间相差不到四分之一秒。速度如此之快,以至于机器人的运动与猴子的感受非常吻合。

在1小时的测试中,研究人员对艾多亚设一个恶作剧。他们突然停止了她的跑步机。每一个人拼住呼吸,看着艾多亚会做什么?尼科乐利斯博士说:“她有眼睛仍旧盯住机器人的腿,像傻了似的。”为此,她获得了丰富的奖赏。而此时机器人还在行走。研究人员为此欢呼不已。

当艾多亚的大脑信号促使机器人行走时,她大脑中的一些神经元在控制她自己的腿,而一些神经元则在控制机器人的腿。经过大约1小时的训练和观看反馈的录相之后,后者的神经元基本上是来协调机器人腿部运动的。艾多亚虽然不能说话,但她的大脑信号表明在跑步机停止工作后,她能通过专注机器人的腿而不是自己的腿,让机器人继续行走整整3分钟。

年底实现人类大脑思维控制行走工具

尼科乐利斯博士表示,视觉是大脑中有力的主导信号。艾多亚的运动皮层,正是电极所植入的位置,开始吸收机器人腿脚的形象,好像它们是艾多亚自己的腿脚似的。在早期测试中,尼科乐利斯博士发现猴子运动皮层20%的大脑细胞只有在机器手臂运动时才被激活。他表示这意味着像机器手臂和腿脚这样的工具能通过学习被动物大脑所接收,汇入到动物身体的画像中去。世界经理人科技频道[http://tech.icxo.com]

在最近的将来,艾多亚和其它猴子将从此机器人那里获得更多的反馈,以形成细微刺激,使神经元专门感知机器人腿脚的触觉。当此机器人的脚接触到地面时,传感器将探测压力,并计算平衡。当这些信息直接反馈给猴子大脑时,它们将会有强烈的感受,能感觉到机器人的脚接触到了地面。在这一点上,猴子要求通过其思维让此机器人走过一间屋子。尼科乐利斯博士说:“我们已经表明你能从整个地球上同时获取信号,生物系统同样也能做到。”为证明这一点,尼科乐利斯博士及其同事计划在今年底示范人类能通过思维来控制外骨骼。对四肢不健全的人来说,这不难做到。尼科乐利斯博士如今正在将电极植入这些患者的大脑表层中,刺激表现胳膊的潜在的大脑区域,以消除疼痛。之后,通过将同一电极稍微深一点植入大脑中,就能记录大脑的活动,包括运动胳膊和想运动胳膊。接着,患者瘫痪的胳膊将加配一套带有马达和传感器的外骨骼或外壳。他说:“他们就可以用其思维来控制其胳膊的运动。这种科幻故事将成为现实。”

责编:吕玥玥

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