Истоки. В 1988 году Фарвел и Дончин (Farwell 1988) впервые реализовали систему “виртуальной клавиатуры», позволившей печатать текст, распознавая компонент Р300 при съеме зрительных вызванных потенциалов (ВП). После этого было разработано много различных модификаций BCI систем со все возрастающими возможностями, уже нашедшими свое применение как в клинике для общения с пациентами, полностью утратившими возможность движения (Birbaumer 1999), так и инновационные технологические проекты по дистанционному управлению роботами (Millán 2004).
BrainGate
Мэттью Нейгл (Matthew Nagle), бывшая футбольная звезда из Веймута (штат Массачусетс), оказался парализованным от плечевого пояса и ниже после того, как во время драки в 2001 году получил ножевое ранение, безнадёжно травмировавшее спинной мозг.
Через некоторое время ему предложили поучаствовать в эксперименте, который мог бы частично решить проблему его обездвиженности. Для исследования использовали систему BrainGate, разрабатываемую американской компанией Cyberkinetics Neurotechnology Systems.
Общий принцип работы такого устройства несложен. Сигналы, которые формируются в мозге, передаются через сенсор — квадратную пластинку четыре на четыре миллиметра с сотней крошечных электродов. Эти электроды представляют собой крошечные миллиметровые металлические иголочки, проникающие непосредственно в кору мозга.
Этот сенсор контактирует с моторной зоной коры головного мозга, отвечающей за движение левой руки, и соединяется с разъёмом, укреплённым в отверстии в черепной коробке.
При попытке совершить какое-то движение в моторной зоне возникает электрический импульс, который передаётся через вживлённые электроды в компьютер.
Когда нужно начать эксперимент и задействовать какое-то внешнее устройство, техник подключает к разъёму кабель, ведущий к компьютеру. Если во время подключения Мэтт попытается представить себе движение собственной руки, то сенсор «подслушает» сигналы двигательных нейронов, которые активируются в тот момент, и передаст их на подключённое устройство, например, монитор или робот-протез.
Первым в мире человеком с мозговым имплантатом и стал 25-летний Мэттью Нейгл. С помощью вживлённого устройства он получил возможность управлять курсором на экране, читать электронную почту, играть в несложные видеоигры и даже что-то рисовать. Ещё он научился переключать каналы и громкость телевизора и шевелить электромеханической рукой, ни сделав для этого ни одного движения.
Рука EMAS
Кэмпбелл Эйрд лишился правой руки в 1982 году: её пришлось ампутировать по плечо, чтобы остановить рак мускулов. И когда в 1993 году группе исследователей из отделения ортопедической хирургии Эдинбургского университета (Edinburgh University Department of Orthopaedic Surgery) понадобился испытатель только что созданной электронной руки EMAS (Edinburgh Modular Arm System), Эйрд записался добровольцем. По словам Эйрда, бионическая рука дала ему возможность вернуться к любимому хобби - полетать на спортивном самолёте. А также позаниматься в тире стрельбой.
Над EMAS с 1987 года под руководством Дэвида Гоу (David Gow) работает группа из четырёх биоинженеров.
Бионическим протез называется, потому что с помощью техники восстанавливает биологическую функцию. В отличие от всех остальных электромеханических рук EMAS отличает возможность вращения в плече, тогда как ранее подвижность ограничивалась двумя основными узлами — локтем и запястьем.
Точно не известно, каким образом Эйрд руководил EMAS. Вроде как система «подбирает» нервные импульсы или слабые токи, исходящие от мускулов плеча. (а не от мозга). Эти сигналы электроника «переводит» в определённые движения.
BMI от Honda
Исследовательский институт Хонда (Honda Research Institute) в сотрудничестве с Advanced Telecommunications Research (ATR) и корпорацией Шимадзу (Shimadzu Corporation) добились управления роботов с помощью человеческого мозга, так называемого мозгово-машинного интерфейса (Brain Machine Interface).
Для этого человеку на голову одевается шапочка, которая с помощью датчиков для измерения электрического потенциала кожи, мозгового кровотока снимают сигнал от человека и передают роботу. А робот, соответственно должен выполнять эти команды. Прием, обработка сигнала и выполнение команды роботом занимает несколько секунд.
Данная технология не нова, с ней уже давно экспериментируют. Однако, разработчики утверждают, что данная технология сегодня достигает самой высокой в мире точности исполнения роботом мысленных приказов человека – точность до 90%, причем без необходимости в длительной специальной подготовке человека. Конечно, технология пока несовершенна: например, нужно несколько часов времени для адаптации системы под каждого конкретного пользователя.
Предполагается, что эта технология со временем может позволить миллионам инвалидов управлять роботами или инвалидными колясками, а также даст множество других возможностей.
Mindball
Mindball — настольная игра для двух игроков, в которой они должны с помощью электрической активности своего мозга управлять движениями катящегося по столу мячика. Игра производится шведской компанией Interactive Productline. Игроки надевают на лоб повязки с датчиками, регистрирующими активность различных областей мозга. Эта система основана на электроэнцефалографии (ЭЭГ), то есть — регистрации биоэлектрической активности отдельных зон, областей и долей мозга. Датчики отслеживают альфа— и тета-волны мозга, которые исходят при интенсивной концентрации и глубоком расслаблении. Датчики связаны с компьютером, который с помощью спрятанных под столом магнитов управляет перемещением стального мячика по игровому полю.
Побеждает тот, кто сумеет максимально расслабиться. В этом случае мяч покатится к воротам противника.
Электроэнцефалограммы игроков чётко отображаются на мониторе, что делает Mindball настоящим зрелищем для публики, которая видит не только катающийся мячик и лица игроков, но и «научные» диаграммы.
NIA
В марте на выставке CeBIT 2008 компания OCZ продемонстрировала на своем стенде игровой манипулятор, названный Neural Impulse Actuator (NIA). В отличие от прошлогодней выставки, где был представлен прототип NIA, в этом году OCZ показала уже полностью готовое к серийному производству изделие.
Внешне манипулятор NIA выглядит как мягкий обруч с вмонтированными датчиками, надеваемый на голову пользователя. При помощи тонкого провода он подсоединяется к аппаратному блоку, который, в свою очередь, подключается к USB-порту компьютера.
Работа NIA основана на применении так называемого нейронного интерфейса (NI). Это означает, что формирование управляющих команд, которые передаются в компьютер, осуществляется путем преобразования биопотенциалов, считываемых специальными датчиками с головы пользователя. Конструкция манипулятора позволяет анализировать мышечную, кожную и нервную активность пользователя, включая симпатические и парасимпатические компоненты.
По словам создателей, одним из основных преимуществ контроллера NIA по сравнению с мышами и клавиатурами является значительное (в 1,5-2 раза) сокращение времени реакции пользователя на изменения игровой обстановки. Кроме того, как пояснили сотрудники OCZ, манипулятор способен подстраиваться под особенности конкретного пользователя. Через одну-две недели регулярной эксплуатации точность интерпретации действий значительно повышается. Впрочем, в настоящее время NIA позиционируется не как полноценная альтернатива традиционным устройствам ввода, а как их дополнение.
Другие разработки
Добеллевским институтом (Dobelle Institute, www.dobelle.com) еще с 70-х годов разрабатывается система искусственного зрения Artificial Vision System, предназначенная для восстановления зрения у слепых. Система эта представляет собой миниатюрную видеокамеру, закрепленную на оправе очков.
Сигнал с камеры обрабатывается портативным компьютером и передается на разъем, вмонтированный в задней части черепа пациента. Оттуда он, при помощи имплантированных электродов, поступает непосредственно в область мозга, отвечающую за зрение (visual cortex).
Конечно, о полном восстановлении зрения речь не идет — пациенты видят только что-то вроде белых точек, очерчивающих предметы (так называемые phosphenes). Однако, научившись интерпретировать даже такую неполную визуальную информацию, некоторые из них уже могут свободно перемещаться по помещению и даже медленно водить машину (правда, только на территории института). Скорость обновления кадров составляет от 1 до 5 в секунду.
Операция уже проводится коммерчески и оценивается примерно в $120 тыс. Надо сказать, что данная технология позволяет вернуть зрение только людям, потерявшим его в результате несчастных случаев - то есть тех, кто уже «умел видеть» раньше.
Технологический университет в Сиднее (University of Technology, Sydney) привлёк $250 тысяч инвестиций из необычного источника — от Panthers Entertainment Group, компании работающей в индустрии развлечений.
Таким образом, речь идёт о разработке и продаже игрушек, роботов или автомобилей, которыми дети будут управлять не с помощью пульта дистанционного управления, а своим мозгом.
На выставке бытовой электроники CES 2009 в Лас-Вегасе была продемонстрирована новая игра Mindflex, которая заключается в том, что с помощью специальных датчиков, прикрепляемых на висках и мочках ушей, игрок может одной силой мысли перемещать в пространстве легкий шарик из пены. Смысл игры состоит в том, чтобы усилием воли удержать шарик на весу, провести его сквозь полосу препятствий и не дать ему упасть.
Выводы
Разработки в области НКИ набирают темп. Если в 1994 году было всего 6 исследовательских групп, занимавшихся BCI, то на первый международный съезд по BCI в 1999 году приехали исследователи из 2-х десятков лабораторий. На втором съезде в 2002 году были исследователи, представлявшие 38 исследовательских групп, включая США, Германию, Китай, Финляндию, Швейцарию, Англию, Канаду и др.
Растет и финансирование этих разработок:
· В 1999-2001 годах Европейский Союз профинансировал международный проект по созданию адаптивной BCI системы, способной к дальнейшему обучению в ходе ее использования — Adaptive Brain Interface (ABI).
· Национальный институт здоровья (NIH) США в 2002 году выделил $3.3 млн. на дальнейшую разработку клинических BCI систем.
· Американское Агентство Передовых Исследовательских Проектов (DARPA), известное своим ключевым вкладом в появление технологии Интернет, выделило $26 млн. на улучшении технологии инвазивной BCI.
Начиная с 2001 года, раз в 2 года проводится соревнование между НКИ системами.
Этот прогресс подогревается огромным спросом на технологии мысленного управления:
· медицина: искусственные конечности, восстановление зрения, управление инвалидной коляской;
· игровая индустрия: управление традиционными играми «силой мысли» и новые типы игр, основанные на свойствах мозговой активности;
· управление техникой: роботы, традиционные и беспилотные транспортные средства.
Еще лет десять тому назад об устройствах, позволяющих управлять компьютером силой мысли, можно было прочитать лишь в фантастических романах. Однако эти и другие примеры вполне убедительно показывают, что подобные технологии не только существуют на самом деле, но и готовы к выходу на рынок.
Разумеется, на данном этапе ожидать чудес не стоит: первые модели обладают весьма скромными функциональными возможностями. Но это вполне закономерно: первые образцы мышей тоже были далеки от совершенства. Существует даже мнение, что уже через 3-5 лет компьютерная мышь уступит место новым интерактивным средствам взаимодействия человека с компьютером.
Одна из недавних новостей гласит, что британские ученые создают технологию, которая сможет передавать информацию на все пять органов чувств человека и, таким образом, целиком погрузить его в виртуальную реальность. Первый виртуальный шлем с такими возможностями планируется выпустить в течение 3-5 лет.
Его стоимость составит около $3 тыс. Это означает, что подобную технику уже в ближайшие годы смогут приобрести многие люди.
А если ещё учесть подвижки к чипизации населения Земли, то можно с уверенностью утверждать — интеграция человека и машины идёт полным ходом. И, наряду с восхищёнными возгласами, предостережений на этот счёт так же прозвучало не мало. Но ни то, ни другое на этот процесс уже не повлияет. Остаётся только каждому решить, насколько он позволит машине стать частью себя (или себе стать частью машины).
Список использованной литературы
1. Википедия (ru.wikipedia.org).
2. MEMBRANA (www.membrana.ru).
3. Элементы (www.elementy.ru).
4. Журнал «КомпьютерПресс» (www.compress.ru).
5. www.ve-group.ru.
6. www.neurobotics.ru