18/12/2023
Door Ad Spijkers
Zwitserse wetenschappers onderzoeken cognitieve strategieën om het lichaam uit te breiden met een extra arm. Virtual reality speelt daarbij een belangrijke rol.
Wetenschappers aan de École Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) laten zien dat ademhaling kan worden gebruikt om bij gezonde personen een draagbare extra robotarm te besturen, zonder de controle over andere delen van het lichaam te belemmeren. De beweging van het middenrif kan worden gevolgd voor succesvolle controle over een extra arm. Hierdoor kan een gezond individu in wezen worden voorzien van een derde – robotachtige – arm.
De wetenschappers ontwikkelden geavanceerde technologische oplossingen om mensen te helpen sensorische en motorische functies terug te krijgen. Deze kunnen verloren zijn gegaan door traumatische gebeurtenissen of neurologische aandoeningen. Tot nu toe hadden ze nog nooit eerder gewerkt aan het verbeteren van het menselijk lichaam en de cognitie met behulp van technologie.
Beter begrip
De studie opent nieuwe mogelijkheden, waaruit blijkt dat extra armen kunnen worden gecontroleerd en dat gelijktijdige controle met beide natuurlijke armen mogelijk is. De studie maakt deel uit van het Third-Arm-project, eerder gefinancierd door de Swiss National Science Foundation (NCCR Robotics). Het project heeft tot doel een draagbare robotarm te bieden om te helpen bij dagelijkse taken of om te helpen bij zoek- en reddingsacties. Het onderzoeken van de cognitieve beperkingen van derde arm controle kan toegangspoorten bieden tot een beter begrip van het menselijk brein.
De belangrijkste motivatie van deze derde arm besturing is het begrijpen van het zenuwstelsel. Als je de hersenen uitdaagt om iets te doen dat compleet nieuw is, kun je leren of de hersenen daartoe in staat zijn en of het mogelijk is dit leren te faciliteren. Deze kennis is vervolgens over te dragen om bijvoorbeeld hulpmiddelen voor mensen met een beperking te ontwikkelen of voor revalidatieprotocollen na een beroerte.
De onderzoekers willen begrijpen of onze hersenen geprogrammeerd zijn om te controleren wat de natuur ons heeft gegeven. Ze hebben aangetoond dat het menselijk brein zich kan aanpassen om nieuwe ledematen te coördineren, samen met onze biologische. Het gaat om het verwerven van nieuwe motorische functies. Deze verbetering gaat verder dan de bestaande functies van een bepaalde gebruiker, of het nu een gezond of een gehandicapt individu is. Vanuit het perspectief van het zenuwstelsel is het een continuüm tussen revalidatie en versterking.
Virtuele omgeving
Om de cognitieve beperkingen van de uitbreiding met een extra arm te onderzoeken, bouwden de onderzoekers eerst een virtuele omgeving. Ze wilden het vermogen van een gezonde gebruiker testen om een virtuele arm te besturen door beweging van zijn of haar middenrif. Ze ontdekten dat de controle van het middenrif geen invloed heeft op handelingen zoals het controleren van de fysiologische armen, de spraak of de blik.
In deze virtual reality-opstelling is de gebruiker uitgerust met een riem die de diafragmabeweging meet. Met een virtual reality-headset ziet de gebruiker drie armen: de rechterarm en hand, de linkerarm en hand, en een derde arm tussen de twee met een symmetrische hand met zes vingers. Deze hand is symmetrisch gemaakt om elke neiging naar de linker- of de rechterhand te voorkomen.
In de virtuele omgeving wordt de gebruiker vervolgens gevraagd zijn hand uit te steken met de linkerhand, de rechterhand of in het midden met de symmetrische hand. In de echte omgeving houdt de gebruiker met beide armen een exoskelet vast, waardoor controle over de virtuele linker- en rechterarm mogelijk is. Beweging die wordt gedetecteerd door de riem rond het diafragma wordt gebruikt voor het aansturen van de virtuele middelste, symmetrische arm. De opstelling werd in ruim 150 sessies getest op 61 gezonde proefpersonen.
Bediening
De membraanbediening van de derde arm is intuïtief; leren deelnemers heel snel het extra ledemaat te beheersen. Bovendien is de besturingsstrategie inherent onafhankelijk van de biologische ledematen. De onderzoekers laten zien dat diafragmacontrole geen invloed heeft op het vermogen van een gebruiker om coherent te spreken.
De onderzoekers hebben ook met succes de diafragmabediening getest met een echte robotarm, een vereenvoudigde arm die bestaat uit een staaf die naar buiten en weer naar binnen kan worden geschoven. Wanneer de gebruiker het diafragma samentrekt, wordt de staaf naar buiten geschoven. In een experiment vergelijkbaar met de VR-omgeving wordt de gebruiker gevraagd om doelcirkels te bereiken en erover te bewegen met haar linker- of rechterhand, of met de robotstaaf.
Oren
Naast het middenrif, maar niet gerapporteerd in het onderzoek, zijn ook rudimentaire oorspieren getest op haalbaarheid bij het uitvoeren van nieuwe taken. Bij deze aanpak wordt een gebruiker uitgerust met oorsensoren en getraind om fijne oorspierbewegingen te gebruiken om de verplaatsing van een computermuis te controleren.
Gebruikers zouden deze oorspieren mogelijk kunnen gebruiken om een extra ledemaat te controleren. De onderzoekers benadrukken dat deze alternatieve controlestrategieën op een dag kunnen helpen bij de ontwikkeling van revalidatieprotocollen voor mensen met motorische tekortkomingen.
Als onderdeel van het derde armproject waren eerdere onderzoeken naar de besturing van robotarmen gericht op het helpen van geamputeerden. Het nieuwste onderzoek is een stap verder dan het repareren van het menselijk lichaam richting uitbreiding. De volgende stap is het onderzoeken van het gebruik van complexere robotapparaten met behulp van onze verschillende besturingsstrategieën. Hiermee willen ze real-life taken uitvoeren, zowel binnen als buiten het laboratorium.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: EPFL / Alain Herzog